RU2377473C2 - Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области гелиоэнергетики. В гелиоаэробарической теплоэлектростанции (ГАБ ТЭС) используется энергия прямых и отраженных солнечных лучей, энергии естественного ветра, воздушной окружающей среды, фазовых преобразований воды и другие компоненты солнечной энергии. ГАБ ТЭС содержит высокотемпературные гелиотеплопреобразующие устройства, в которых тепловая энергия солнечных лучей передается текучему теплоносителю при температуре 90 и более градусов Цельсия, теплоаккумулятор с применением теплоизолированного сыпучего или жидкого материала и трубопроводов, расположенных в нем, и гелиопарниковые генераторы термовоздушных потоков с температурой до 90 градусов Цельсия. Применены, по меньшей мере, три энергопреобразующих термоаэродинамических модуля, в которых центральный энергетический воздухопоток, приводящий во вращение ветротурбогенератор, энергетически насыщается и приобретает вращательно-поступательную вихревую траекторию движения, благодаря воздействию на него высокотемпературного жидкого теплоносителя в сочетании с применением соответствующих аэродинамических поверхностей, термовоздушных потоков и ряда других технологических средств. Кроме того, в ГАБ ТЭС установлен второй контур производства электроэнергии, который включает в себя автономный трубный коллектор, размещенный в теплоаккумуляторе, куда подается жидкость с пониженной точкой кипения, а получаемый в трубном коллекторе пар направляется в паровую турбину, сочлененную со вторым электрогенератором. Отработанный пар из паровой турбины поступает в холодильник-конденсатор, где он, посредством конденсации, снова превращается в легко испаряемую жидкость и насосом направляется в указанный трубный коллектор. Тепловая энергия конденсации пара через тепловой преобразователь, в частности тепловой насос, подается в центральный энергетический воздухопоток, чем обеспечивается увеличение выработки электроэнергии ветротурбогенератором. В дополнение к этому, в окружающей воздушной среде по периметру ГАБ ТЭС установлен влагоконденсирующий коллектор, в который подается охлаждающее рабочее тело, благодаря чему на нем конденсируется влага из окружающей атмосферы. Это позволяет получать товарную пресную воду, а с другой стороны - образует дополнительный источник тепловой энергии, преобразующей данную компоненту солнечной энергии в целенаправленные тепловые потоки в ГАБ ТЭС. Изобретение повышает технико-экономическую эффективность предложенной ГАБ ТЭС, что создает возможность широкого строительства объектов промышленной гелиоэнергетики. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Текст описания приведен в факсимильном виде.

Claims (10)

1. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция, содержащая гелиотеплопреобразующие источники тепловой энергии, ветровоздухонаправляющие поверхности и образованные ими энергетические пространства, ветротурбину с присоединенным к ней электрогенератором, которая приводится во вращение центральным энергетическим воздухопотоком, воздухоотводящий канал, расположенный над ветротурбиной и выполненный в виде невысокой стационарной тяговой трубы и управляемой аэротермодинамической надстройки к ней, канал термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока перед поступлением его в ветротурбину, включающий по меньшей мере три энергопреобразующих модуля со встроенными теплообменными элементами, подключенными к одному или нескольким внешним источникам теплового воздействия на них посредством гидравлических и/или пневматических каналов с нагретым текучим теплоносителем, и воздухонаправляющими аэродинамическими элементами, посредством которых для центрального энергетического воздухопотока создана многокомпонентная траектория движения, в том числе вокруг и вдоль его центральной вертикальной оси и вокруг локальных осей, распределенных по его поперечным сечениям и приповерхностным слоям, в результате чего перед входом в ветротурбину центральный энергетический воздухопоток приобретает вращательно-поступательную вихревую форму движения, причем во всех энергопреобразующих модулях воздухонаправляющие конструкции выполнены таким образом, чтобы вращательные движения воздухопотока были всегда однонаправлены, теплоаккумулятор, в котором хранится запас тепловой энергии на несолнечный период, при этом канал термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока связан посредством воздухонаправляющих проемов с первичным внешним источником движения воздушной среды в нем - ветровоздухозаборным каналом, снабженным ветровоздухонаправляющими поверхностями, придающими благодаря образованным между последними щелевым проемам вращательное движение воздушной среде в нем, причем указанные энергопреобразующие модули расположены вертикально друг над другом и имеют общую центральную ось симметрии совместно с ветротурбиной, воздухоотводящим и ветровоздухозаборным каналами и центральным энергетическим воздухопотоком, отличающаяся тем, что энергопреобразующие модули выполнены по наружной поверхности в призматической и пирамидальной многогранных формах и содержат встроенные в их внутреннюю полость подобные формы с существенно меньшими диаметрами описанных окружностей в поперечных сечениях таким образом, что между их наружными и внутренними воздухонепроницаемыми многогранными конструкциями образован свободный канал для вращательно-поступательного вихревого движения центрального энергетического воздухопотока, нагреваемого теплообменными элементами при перемещении его от ветровоздухозаборного канала до входа в ветротурбину, а грани их наружных многогранных конструкций созданы посредством, по меньшей мере, двух слоев из теплоизолирующего, преимущественно светопроницаемого, материала с применением в их конструкции разъемных монтажно-сборочных соединений, обеспечивающих возможность технического обслуживания установленного внутри них оборудования, в то время как грани их внутренних многогранных конструкций созданы из легкосъемных, в частности, металлических листов со встроенными смотровыми окнами и образуют внутреннюю, свободную для обслуживания, технологическую полость, при этом теплообменные элементы, встроенные в энергопреобразующие модули, выполнены из отрезков трубопроводов, размещенных радиально автономными съемными блоками, закрепленными относительно наружных и внутренних многогранных конструкций, между которыми образованы воздухопроницаемые проемы, расширяющиеся в радиальных направлениях, причем на отрезках трубопроводов теплообменных элементов закреплены в тепловом контакте с ними воздухонаправляющие профили из теплопроводного материала, содержащие в своих формах фрагменты наклонных поверхностей и поверхностей тел вращения и образующие в своей совокупности теплообменные аппараты энергопреобразующих модулей как термоаэродинамические средства, определяющие траектории движения воздушных масс в среде центрального энергетического воздухопотока, при этом теплообменные аппараты энергопреобразующих модулей подключены через регуляторы скорости текучего теплоносителя и циркуляционный агрегат, по меньшей мере, к одной центральной емкости высокотемпературного теплоносителя, а последняя, в свою очередь, подключена, с одной стороны, через второй циркуляционный агрегат, по меньшей мере, к одному высокотемпературному гелиотеплопреобразующему устройству в качестве нагревателя текучего теплоносителя, которое выполнено в виде плоской конструкции, содержит слой протекающего текучего, в частности жидкого, теплоносителя и оборудовано средствами концентрации солнечных лучей за счет применения вытянутых в длину пирамидообразных лученаправляющих поверхностей гелиоконцентраторов, а с другой стороны - через третий циркуляционный агрегат к теплообменному агрегату, выполненному посредством трубного коллектора и размещенному в высокотемпературном теплоаккумуляторе, который создан, например, за счет устройства теплоизолированной по всему периметру емкости и заполнения последней сыпучим и/или жидким теплоаккумулирующим материалом, находящимся в тепловом контакте с трубным коллектором теплообменного агрегата, при этом параллельно названным теплообменным аппаратом создана система утилизации тепловых потерь, предназначенная для дополнительного наращивания ее электрической мощности, температурный потенциал которой является пониженным, причем система утилизации тепловых потерь включает в себя средства их канализации, сбора и распределения, в том числе от установок теплопреобразования солнечных лучей, от участков почвы, в том числе возделываемой, теплоизолированных от окружающей среды светопроницаемым материалом, и от каналов вентиляционных потоков, созданных в основных и вспомогательных технологических процессах.

2. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что нижний энергопреобразующий модуль состоит из наружной и внутренней многогранных конструкций призматической формы, содержит теплообменный аппарат, составленный из теплообменных элементов и воздухонаправляющих термоаэродинамических профилей и выполненный в виде спиралеобразной многогранной конструкции, охватывающей центральную ось и поднимающейся вверх вдоль нее, грани - съемные блоки которой имеют равные между собой размеры, расположены с воздухонаправляющими наклонами между гранями его наружной и внутренней призм, закреплены к их несущим конструкциям посредством разъемных соединений и подключены по аналогии с вышеизложенным к циркуляционным каналам текучего, в частности жидкого, теплоносителя, а его наружная призматическая поверхность содержит вертикальные ветронаправляющие пластины, расположенные вокруг центральной оси под соответствующими углами к радиальным направлениям и образующие между собой воздухонаправляюшие щелевые проемы, которые в совокупности создают интегральный выходной проем ветровоздухозаборного канала и соединяют последний с его внутренней средой таким образом, что ветровой и воздушный потоки из внешней среды поступают в него сбоку, под конструктивно заданным углом на спиралеобразный теплообменный аппарат, окончательно формирующий и усиливающий начальную фазу вращательно-поступательно движения центрального энергетического воздухопотока, в то время как через днище, выполненное в виде воздухопроходной конструкции, в которой радиально расположены под углом к горизонтальной плоскости воздухонаправляющие пластины, его внутренняя среда подключена снизу к дополнительному источнику нагретого воздухопотока, соединенного воздухопроводами со средствами вытяжной вентиляции помещений, где работает теплогенерирующее оборудование, за счет чего образован один из участков канала утилизации энергии теплопотерь и воздушных вентиляционных выбросов путем подвода их, с помощью подготовленного вращательного движения, в основание центрального энергетического воздухопотока, причем над спиралеобразным теплообменным аппаратом в нем размещен регулятор скорости вращения ветротурбины - акселератор, выполненный в виде плоской составной многогранной конструкции, включающей наружный и внутренний несущие многогранники с воздухопроходным проемом между ними, в плоскости которых расположены поворотные воздухонаправляющие пластины, расширяющиеся в радиальном направлении, к которым присоединены автоматически регулируемые приводы управления величиной образующихся проемов между пластинами и соответственно скоростью вращения ветротурбины.

3. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что между нижним и средним, средним и верхним энергопреобразующими модулями установлены по меньшей мере два термоаэродинамических воздухонаправляющих межмодульных перехода, состоящие из плоских наружных и внутренних многогранных конструкций с воздухопроходными проемами между ними, в плоскости которых размещены теплообменные аппараты, выполненные посредством автономных блоков теплообменных элементов в полной аналогии с названным спиралеобразным теплообменным аппаратом и подключенные к каналам высокотемпературного текучего теплоносителя.

4. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что средний энергопреобразующий модуль имеет форму многогранной призмы в составе двух многогранных концентрически размещенных призматических конструкций, подобных примененным в нижнем энергопреобразующем модуле, и содержит между нижним и верхним термоаэродинамическими воздухонаправляющими межмодульными переходами, совмещенными с его днищем и потолком, по меньшей мере два трубных коллектора в качестве теплообменных аппаратов, в которых установлены теплопроводные профили, каждый из которых снабжен полем отверстий, через которые последовательно проходит вращающаяся воздушная масса центрального энергетического воздухопотока в составе сформированных и вращающихся вокруг своих локальных осей и центральной оси воздушных трубок-жгутов, причем теплообменные аппараты подключены гидравлическими каналами к источнику жидкого теплоносителя пониженного потенциального уровня, причем в его внутренней среде установлены радиально расположенные инжекторы нагретого вращающегося воздушного потока, выполненные из отрезков трубопроводов с закрепленными в них инжектирующими приспособлениями, ориентированные в направлении вращения воздухопотока и подключенные воздухопроводом к источнику термовоздушного потока.

5. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что верхний энергопреобразующий модуль имеет форму усеченной пирамиды и состоит из концентрически расположенных наружной и внутренней многогранных пирамидальных конструкций с воздухонепроницаемыми гранями, между которыми образован, по аналогии с нижним и средним энергопреобразующими модулями, свободный канал для продвижения центрального энергетического воздухопотока, сужающийся кверху в своем поперечном сечении, причем нижнее его основание совмещено с указанным термоаэродинамическим воздухонаправляющим межмодульным переходом, а верхнее основание выполнено в виде двух плоских концентрически расположенных многогранников с воздухопроходным проемом между ними, при этом внутренний несущий многогранник имеет конструкцию фланца, закрывающего свободную полость внутренней многогранной пирамиды и служащего несущей базой для установки неподвижного корпуса ветротурбины, при этом в его внутренней полости, между наружной и внутренней многогранными пирамидами, размещена вторая спиралеобразная многогранная конструкция теплообменного аппарата, подобная первой с тем отличием, что грани ее размещены между пирамидальными многогранными конструкциями и уменьшаются в размерах с повышением их высоты вдоль центральной оси, причем теплообменный аппарат аналогично подключен к циркуляционному каналу высокотемпературного теплоносителя.

6. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что высокотемпературное гелиотеплопреобразующее устройство выполнено посредством трубного коллектора с применением плоских трубопроводов, размещенных параллельно между собой на опорной базе, созданной в виде вытянутой в длину ажурной гелиопоглощающей платформы, и параллельно присоединенных к подводящей и отводящей циркуляционным магистралям, причем плоские трубопроводы объединены в группы с образованием на базе гелиопоглощающей платформы одинаковых гелиотеплопреобразующих модулей, оптимальных для монтажа и транспортировки габаритов, с размещением под плоскими трубопроводами теплопроводной гелиопоглощащей подложки, причем последние сверху и снизу теплоизолированы слоями светопроницаемого материала с воздушными зазорами между ними, причем на поверхности почвы и над ней, ориентировочно, с южной стороны каждой из гелиопоглощающих платформ размещены стационарные лучеотражающие и/или управляемые, поворотные лученаправляющие панели, ориентирующие отраженные солнечные лучи снизу на теплопроводную гелиопоглощающую подложку, причем пространство над лучеотражающими и лученаправляющими панелями -
гелиопреобразующее пространство- теплоизолировано светопроницаемым материалом с воздушным слоем, конструктивно заданным по высоте и форме путем закрепления этого материала относительно опорной базы гелиопоглощающих платформ на ажурных несущих конструкциях, и подключено к названной системе утилизации термовоздушных потоков, причем на части территории, где лучеотражающие панели подняты над поверхностью почвы, последняя применена для размещения плантаций овощей, ягод, фруктов и объектов вспомогательных экзотермических технологий, а подводящая и отводящая циркуляционные магистрали подключены через названный второй циркуляционный агрегат к центральной емкости высокотемпературного теплоносителя и/или через переключающие устройства и названный третий циркуляционный агрегат - к теплообменному агрегату теплоаккумулятора.

7. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1 или 6, отличающаяся тем, что высокотемпературное гелиотеплопреобразующее устройство состоит из расположенных в длину с севера на юг, с небольшим наклоном в южную сторону, плоских коробов, содержащих днища из теплопроводного гелиопоглощающего материала, боковые стороны из теплоизолирующего материала, поглощающего и/или отражающего солнечные лучи, к которым последние закреплены в средней по высоте части, и основания, выполненные из светопроницаемого теплоизолирующего материала и герметично закрепленные к верхним и нижним торцам боковых сторон, при этом к верхним и нижним основаниям гелиопоглощающих плоских коробов пристроены пирамидообразные гелиоконцентраторы, боковые грани которых, за исключением южных, выполнены лучеотражающими, а большие основания закрыты светопроницаемым теплоизолирующим материалом, причем они размещены в ряд на гелиопоглощающей платформе, вытянутой в длину с запада на восток, при этом внутренние полости коробов подключены к северной - подводящей и южной - отводящей циркуляционным магистралям высокотемпературного текучего теплоносителя за счет установки коротких теплоизолирующих патрубков, плотно посаженных своими концами в соответствующие соединительные отверстия, созданные в магистралях, которые выполнены теплоизолирующими, причем в коробах и/или магистралях установлены датчики уровня и температуры теплоносителя, подключенные к системам управления указанными циркуляционными агрегатами.

8. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в названном теплоаккумуляторе установлен второй теплообменный агрегат, размещенный в нем посредством установки трубопроводов, которые соединены в коллектор с помощью подводящей гидромагистрали и отводящего паропровода, за счет чего данный теплообменный агрегат включен во второй контур производства электроэнергии, содержащий паротурбогенератор, холодильник-конденсатор и насосный агрегат подачи жидкого рабочего тела, преимущественно, легко испаряемой жидкости, при этом насосный агрегат подключен гидравлическим каналом к подводящей гидромагистрали теплообменного агрегата, а паротурбогенератор соединен своим входом с отводящим паропроводом последнего и выходом - с холодильником, к которому подведен канал охлаждения, подключенный своим выходом к тепловому преобразователю как источник тепловой энергии с пониженной температурой, а тепловой отвод теплового преобразователя со значительно увеличенной температурой рабочего тела термодинамически присоединен по меньшей мере к одному вспомогательному теплогенератору как приемнику тепловой энергии, установленному в ветровоздухозаборном канале.

9. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в названном теплоаккумуляторе установлен третий теплообменный агрегат, подключенный как источник тепловой энергии к системе горячего водотеплоснабжения, являющегося ее товарной продукцией наряду с электроэнергией.

10. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что на ее территории установлен влагоконденсирующий коллектор как теплообменный агрегат, выполненный посредством трубопроводов из теплопроводного материала и расположенный, в частности, по ее периметру в комплекте с оградой, который подключен своими подводящими и отводящими каналами ко второму тепловому преобразователю как источник низкопотенциальной тепловой энергии, получаемой из окружающей воздушной среды, а тепловой отвод теплового преобразователя со значительно увеличенной температурой рабочего тела термодинамически присоединен параллельно к названному вспомогательному теплогенератору в ветровоздухозаборном канале и/или к теплогенерирующим аэродинамическим средствам, установленным посредством управляемой аэротермодинамической надстройки к тяговой трубе, при этом ниже уровня влагоконденсирующего трубного коллектора размещен водосборный канал, подключенный к средствам подготовки товарной питьевой воды и емкостям дистиллированной воды для внутреннего технологического применения, в том числе для полива возделываемой почвы и культивируемых растений.

Images