RU2709007C1

RU2709007C1 - Solar tower power plant

Info

Publication number: RU2709007C1
Application number: RU2018146319A
Authority: RU
Inventors: Руслан Сергеевич Цгоев
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2019-12-13

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to power engineering, particularly, to renewable energy sources based on solar tower power plants (solar thermal power plants), which realize a thermodynamic cycle, for example, Rankine or Stirling. In a solar tower power plant comprising a thermodynamic cycle unit, e.g. Rankine or Stirling, with a cycle heater and mirror-heliostats configured to azimuthally and zenithal track the Sun using the drives, and reflection of sun rays on a heater located on top of a tower of a solar tower power plant, and a network of consumers, mirror-heliostats are equipped with a drive control unit, as well as solar photoelectric panels, fixed attached along the perimeter to each mirror-heliostat, or photoelectric panels made fixed and arranged, for example, between adjacent mirrors-heliostats, at that inputs of azimuthal drive and zenithal tracking drive of each mirror-heliostat are connected to outputs of drive control unit, first input of which is connected to common output circuit of photovoltaic panels, and second input is connected to network of consumers.

EFFECT: higher efficiency of solar tower power plants.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике, более конкретно - к возобновляемым источникам энергии на основе солнечных башенных электростанций (гелиотермических электростанций), реализующих термодинамический цикли, например, Ренкина или Стирлинга.The proposed technical solution relates to energy, and more specifically to renewable energy sources based on solar tower power plants (solar thermal power plants) that implement thermodynamic cycles, for example, Rankine or Stirling.

Известно устройство-аналог: Гелиостат (Амстиславский А.З., Муравьев А.И. Гелиостат. Авторское свидетельство СССР №1353995. Опубликован 23.11.87, Бюл. №43). Изобретение позволяет упростить конструкцию гелиостата путем изменения кинематической и оптической связи его зеркал и светочувствительного датчика (СД), а также устранить эффект перекрестной связи в управлении гелиостатом. В центральном отверстии зеркала перпендикулярно его поверхности и в плоскости симметрии цилиндрического шарнира установлен отражатель. Двухкоординатный СД расположен на валу и ориентирован параллельно ему на уровне оси шарнира. Падающее на зеркало солнечное излучение направляется отражателем в сторону СД в направлении, обратном приемнику излучения. При перемещении Солнца СД формирует сигналы на приводы, ориентирующие зеркало на приемник.A device analogue is known: Heliostat (Amstislavsky A.Z., Muravyov A.I. Heliostat. USSR author's certificate No. 1353995. Published on 11.23.87, Bull. No. 43). The invention allows to simplify the design of the heliostat by changing the kinematic and optical coupling of its mirrors and photosensitive sensor (SD), and also to eliminate the effect of cross-coupling in controlling the heliostat. A reflector is installed in the central hole of the mirror perpendicular to its surface and in the plane of symmetry of the cylindrical hinge. The two-coordinate LED is located on the shaft and is oriented parallel to it at the level of the hinge axis. The solar radiation incident on the mirror is directed by the reflector towards the LED in the direction opposite to the radiation receiver. When the sun moves, the SD generates signals to the drives orienting the mirror to the receiver.

Недостатком аналога является необходимость питания приводов, азимутального и зенитного ориентирования зеркал-гелиостатов на приемник (котел) от шин электрогенератора электростанции, что снижает выдачу электроэнергии в энергосистему, т.е. снижает ее эффективность.The disadvantage of the analogue is the need for powering the drives, azimuthal and anti-aircraft orientation of the heliostat mirrors to the receiver (boiler) from the tires of the power plant’s generator, which reduces the supply of electricity to the power system, i.e. reduces its effectiveness.

Известны устройства (второй аналог) - 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 (Р.Б. Ахмедов, И.В. Баум, В.А. Пожарнов, В.М. Чеховский. Солнечные электрические станции. Сер. "Гелиоэнергетика" (Итоги наука и техники ВИНИТИ). М. 1986). В книге рассматривается наряду с другими и Крымская гелиотермическая станция СЭС-5 с реализацией цикла Ренкина. Вместе с тем на сайте (https://studopedia.ru/13_6786_elektrostantsii-ispolzuyushchie-netraditsionnie-vidi-energii.html) указывается, что для Крымской СЭС-5 полный расход электроэнергии на собственные нужды, в том числе и на питание приводов азимутального и зенитного ориентирования зеркал-гелиостатов, составляет 15%. Таким образом, если полный реальный КПД-брутто для солнечного ясного полдня при плотности потока солнечного излучения G=1 кВт/м составляетKnown devices (the second analogue) are solar tower power plants based on the implementation of the Rankine cycle using flat mirrors located over a large area of the Sun-watching mirrors that reflect sunlight on a central receiver (boiler) placed on top of the tower (RB Akhmedov, I. V. Baum, V. A. Pozharnov, V. M. Chekhovsky Solar power plants. Ser. "Solar energy" (Results of science and technology VINITI). M. 1986). The book considers, along with others, the Crimean solar thermal station SES-5 with the implementation of the Rankine cycle. At the same time, the site (https://studopedia.ru/13_6786_elektrostantsii-ispolzuyushchie-netraditsionnie-vidi-energii.html) indicates that for the Crimean SES-5 the total energy consumption for own needs, including the supply of azimuthal and the anti-aircraft orientation of heliostat mirrors is 15%. Thus, if the total real gross efficiency for a clear half day at a solar flux density of G = 1 kW / m is

где Р[кВт] - электрическая мощность на выходе электрогенератора, S[м²] - суммарная площадь зеркал-гелиостатов, то с учетом собственных нужд КПД-нетто снижается и составляетwhere P [kW] is the electric power at the output of the generator, S [m ² ] is the total area of heliostat mirrors, then taking into account the own needs, the net efficiency decreases and amounts to

Недостатком второго аналога, как и у первого, является необходимость питания приводов, азимутального и зенитного ориентирования зеркал-гелиостатов на приемник (котел) от шин электрогенератора электростанции, что снижает выдачу электроэнергии в энергосистему, т.е. снижает ее эффективность.The disadvantage of the second analogue, like that of the first, is the need for powering the drives, azimuthal and anti-aircraft orientation of the heliostat mirrors to the receiver (boiler) from the tires of the power generator of the power plant, which reduces the supply of electricity to the power system, i.e. reduces its effectiveness.

Известно устройство-прототип (Цгоев Р.С., Шлыков Е.Н., Козлов И.С., Погосян А.В. ГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА. Патент РФ №2527773. МПК F02G 1/045. Опубликовано: 10.09, 2014. Бюл. №25), согласно которому 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.A prototype device is known (Tsgoev R.S., Shlykov E.N., Kozlov I.S., Pogosyan A.V. GENERATING INSTALLATION WITH A STIRLING ENGINE. RF patent №2527773. IPC F02G 1/045. Published: 10.09, 2014 Bull. No. 25), according to which the invention relates to energy. The generating installation comprises a Stirling engine with an electric generator on one shaft, a cooling system for the Stirling engine and a heater for the Stirling engine. The installation is equipped with a solar tower power station with mirrors. The Stirling engine heater is located on top of a tower of a solar tower power station with mirrors. The mirrors are made with the ability to track the sun and reflect sunlight on the Stirling engine heater. The unit is equipped with rectifier and inverter units, a regulator and a temperature sensor of the working fluid in the heater of the Stirling engine. The output of the temperature sensor is connected to the input of the controller. The controller output is connected to the control inputs of the rectifier and inverter units. The power output of the generator is connected to the power input of the rectifier unit. The power output of the inverter unit is connected to a network of consumers.

Недостатком устройства-прототипа, как и аналогов, является необходимость питания приводов, азимутального и зенитного ориентирования зеркал-гелиостатов на приемник-нагреватель цикла от шин электрогенератора электростанции, что снижает выдачу электроэнергии в энергосистему, т.е. снижает ее эффективность.The disadvantage of the prototype device, as well as analogues, is the need for powering the drives, azimuthal and anti-aircraft orientation of the heliostat mirrors to the receiver-heater of the cycle from the buses of the power generator of the power plant, which reduces the supply of electricity to the power system, i.e. reduces its effectiveness.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении эффективности солнечных башенных электростанций.The technical problem solved by the proposed device is to increase the efficiency of solar tower power plants.

Технический результат, заключающийся в повышении КПД солнечных башенных электростанций, достигается тем, что в известной солнечной башенной электростанции, содержащей блок термодинамического цикла, например, Ренкина или Стирлинга, с нагревателем цикла и зеркалами-гелиостатами, выполненными с возможностью азимутального и зенитного слежения за Солнцем с помощью приводов и отражения солнечных лучей на нагреватель, расположенный на вершине башни солнечной башенной электростанции, сеть потребителей, зеркала-гелиостаты снабжены блоком управления приводами, а также солнечными фотоэлектрическими панелями, фиксированно прикрепленными по периметру к каждому зеркалу-гелиостату, или фотоэлектрическими панелями, выполненными неподвижными и размещенными, например, между соседними зеркалами-гелиостатами, при этом входы привода азимутального и привода зенитного слежения за Солнцем каждого зеркала-гелиостата соединены с выходами блока управления приводами, первый вход которого подключен к общей выходной цепи фотоэлектрических панелей, а второй вход подключен к сети потребителей.The technical result, which consists in increasing the efficiency of solar tower power plants, is achieved by the fact that in a well-known solar tower power station containing a thermodynamic cycle unit, for example, Rankin or Stirling, with a cycle heater and heliostat mirrors made with the possibility of azimuthal and anti-aircraft tracking of the Sun with with the help of drives and reflection of sunlight on a heater located on the top of the tower of a solar tower power station, a network of consumers, heliostat mirrors are equipped with a unit control by drives, as well as solar photovoltaic panels fixedly fixed along the perimeter to each heliostat mirror, or by photovoltaic panels made stationary and placed, for example, between adjacent heliostat mirrors, while the inputs of the azimuthal drive and the anti-aircraft sun tracking drive of each mirror the heliostat is connected to the outputs of the drive control unit, the first input of which is connected to the common output circuit of the photovoltaic panels, and the second input is connected to the consumer network firs.

На чертеже представлен общий вид солнечной башенной электростанции.The drawing shows a General view of a solar tower power plant.

Солнечная башенная электростанция содержит блок 1 термодинамического цикла, например, Ренкина или Стерлинга, с нагревателем 2 цикла и зеркалами-гелиостатами 3, выполненными с возможностью азимутального и зенитного слежения за Солнцем с помощью приводов 4 и 5, и отражения солнечных лучей на нагреватель 2, расположенный на вершине башни 6 солнечной башенной электростанции, сеть 7 потребителей, зеркала-гелиостаты 3 снабжены блоком 8 управления приводами 4 и 5, а также солнечными фотоэлектрическими панелями 9, фиксированно прикрепленными по периметру к каждому зеркалу-гелиостату 3, при этом входы привода 4 азимутального и привода 5 зенитного слежения за Солнцем каждого зеркала-гелиостата 3 соединены с выходами блока 8 управления приводами, первый вход которого подключен к общей выходной цепи 10 фотоэлектрических панелей 9, а второй вход подключен к сети 7 потребителей.The solar tower power station contains a thermodynamic cycle unit 1, for example, Rankin or Sterling, with a 2-cycle heater and heliostat mirrors 3, made with the possibility of azimuthal and anti-aircraft tracking of the Sun using actuators 4 and 5, and reflection of sunlight on the heater 2, located on the top of tower 6 of the solar tower power station, a network of 7 consumers, solar heliostats 3 are equipped with a drive control unit 8 4 and 5, as well as solar photovoltaic panels 9, fixedly fixed around to each mirror-heliostat 3, while the inputs of the azimuthal drive 4 and the drive 5 for zenithal tracking of the Sun of each mirror-heliostat 3 are connected to the outputs of the drive control unit 8, the first input of which is connected to the common output circuit 10 of the photovoltaic panels 9, and the second input connected to a network of 7 consumers.

Кроме того, у солнечной башенной электростанции солнечные фотоэлектрические панели 9 могут быть выполнены неподвижными и размещены или между соседними зеркалами-гелиостатами, или на отдельной площадке вне поля зеркал-гелиостатов.In addition, at the solar tower power plant, solar photovoltaic panels 9 can be made stationary and placed either between adjacent heliostat mirrors, or in a separate area outside the field of heliostat mirrors.

При этом выводы электрогенератора (электрогенератор на рисунке не показан) блока 1 термодинамического цикла через цепь 11 подключены к сети 7 потребителей. На рисунке показаны падающие на зеркало-гелиостат 3 и на фотоэлектрические панели 9 лучи 12 Солнечного излучения, а также отраженные от зеркала-гелиостата 3 лучи 13, падающие на нагреватель 2. Показаны также лучи 14 излучения от нагревателя 2 термодинамического цикла, дополнительно падающие на фотоэлектрические панели 9.At the same time, the conclusions of the electric generator (the electric generator is not shown in the figure) of block 1 of the thermodynamic cycle through circuit 11 are connected to a network of 7 consumers. The figure shows the rays 12 of solar radiation incident on the mirror-heliostat 3 and on the photovoltaic panels 9, as well as the rays 13 reflected on the mirror-heliostat 3, incident on the heater 2. Also shown are radiation rays 14 from the thermodynamic cycle heater 2, additionally incident on the photoelectric panels 9.

Солнечная башенная электростанция работает следующим образом. 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) и для местности. Например, летнее максимальное значение в районах, близких к экватору, как упоминалось, плотность потока солнечного излучения составляет G≈1 кВт/м². По мере нарастания плотности потока солнечного излучения после восхода Солнца нарастает температура нагревателя 2 блока 1 термодинамического цикла, например, Ренкина или Стирлинга. Нагреватель 2, помещенный на вершине башни 6 солнечной башенной электростанции, нагревается расположенными на большой площади зеркалами-гелиостатами 3, следящими за Солнцем с помощью блока 8 управления приводом 4 азимутального и приводом 5 зенитного слежения за Солнцем и тем самым обеспечивается работа термодинамического цикла. При этом падающие лучи 12 Солнечного излучения, отраженные от зеркала-гелиостата 3, в виде лучей 13 падают на нагреватель 2.Solar tower power plant operates as follows. The flux density of solar radiation during the day varies according to a sinusoidal law, i.e. during periods of sunrise and sunset, the density of the flux of solar radiation has a minimum value, and at sunny noon - the maximum value characteristic of a given time of the year (cloudiness also affects the density of the flux of solar radiation) and for the terrain. For example, the summer maximum value in areas close to the equator, as mentioned, the solar flux density is G≈1 kW / m ² . As the density of the solar radiation flux increases after sunrise, the temperature of heater 2 of block 1 of the thermodynamic cycle, for example, Rankin or Stirling, rises. The heater 2, located on the top of the tower 6 of the solar tower power station, is heated by a heliostat mirror 3 located over a large area, monitoring the Sun using the control unit 8 of the azimuthal actuator 4 and the anti-aircraft tracking actuator 5 for tracking the sun, thereby ensuring the operation of the thermodynamic cycle. In this case, the incident rays 12 of the Solar radiation reflected from the mirror-heliostat 3, in the form of rays 13 fall on the heater 2.

Так как в каждый момент хронометраж астрономического перемещения солнца точно известен, то в простейшем случае блока 8 управления выполнен в виде хронометра. Блока 8 управления по астрономическому времени формирует на своем выходе сигнал задания на управление приводом 4 азимутального и приводом 5 зенитного слежения за Солнцем. Солнечные лучи 12 падают и на фотоэлектрические панели 9, которые осуществляют электропитание приводов 4 и 5.Since at every moment the timing of the astronomical movement of the sun is precisely known, in the simplest case the control unit 8 is made in the form of a chronometer. The astronomical time control unit 8 generates at its output a task signal for controlling the azimuthal drive 4 and the anti-aircraft tracking drive 5 for the sun. The sun's rays 12 also fall on the photovoltaic panels 9, which provide power to the drives 4 and 5.

Питание блока 8 управления приводами 4 и 5 в периоды нормального солнечного освещения осуществляется через первый вход, который подключен к общей выходной цепи 10 фотоэлектрических панелей 9, а в периоды облачности и для возврата гелиостата в исходное (утреннее) положение, питание осуществляется через второй вход, подключенный к сети 7 потребителей.The power supply of the control unit 8 of the actuators 4 and 5 during periods of normal sunlight is provided through the first input, which is connected to the common output circuit 10 of the photovoltaic panels 9, and during cloudy periods and to return the heliostat to its original (morning) position, power is supplied through the second input, connected to the network of 7 consumers.

В свою очередь, если выбрать установленную мощность фотоэлектрических панелей 9 равной мощности собственных нужд солнечной башенной электростанции, то КПД-нетто вырастет до КПД-брутто (в вышеприведенном примере для СЭС-5 с 0.106 вырастит до 0.125).In turn, if you select the installed power of photovoltaic panels 9 equal to the auxiliary power of the solar tower power plant, then the net efficiency will increase to the gross efficiency (in the above example for SES-5 it will increase from 0.106 to 0.125).

Одновременно отраженные от зеркала-гелиостата 3 лучи 13, падающие на нагреватель 2, нагревают его поверхность до такой температуры, что он сам начинает излучать лучи 14, в основном в инфракрасном диапазоне. Эти лучи 14 падают на фотоэлектрические панели 9 дополнительно к лучам 12 и увеличивают выработку электроэнергии фотоэлектрическими панелями 9.At the same time, the rays 13 reflected from the mirror-heliostat 3, incident on the heater 2, heat its surface to such a temperature that it itself begins to emit rays 14, mainly in the infrared range. These beams 14 are incident on the photovoltaic panels 9 in addition to the beams 12 and increase the generation of electricity by the photovoltaic panels 9.

При концентрации зеркалами-гелиостатами 3 солнечного излучения на нагревателе 2 он, как и абсолютно черное тело, поглощает все излучение, которое на него попадает, и нагревается до определенной абсолютной температуры, визуально превращается в светящийся шар и, согласно закона Планка, создает излучение со спектральной плотностью потока энергии, излучаемой черным телом при достигнутой абсолютной температуре нагрева. Например, для кремниевых фотоэлектрических панелей 9 на расстоянии 100 метров от нагревателя 2 плотность потока 14 излучения дополнительно увеличится 5-7%, и далее убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.When the heliostat mirrors 3 concentrate solar radiation on heater 2, it, like a completely black body, absorbs all the radiation that gets on it and heats up to a certain absolute temperature, visually turns into a luminous ball and, according to Planck’s law, creates radiation with spectral the energy flux density emitted by the black body at the achieved absolute heating temperature. For example, for silicon photovoltaic panels 9 at a distance of 100 meters from the heater 2, the radiation flux density 14 will additionally increase 5-7%, and then decreases inversely with the square of the distance.

У солнечной башенной электростанции могут быть два более простых дополнительных варианта, когда солнечные фотоэлектрические панели 9 выполнены неподвижными и размещены или между соседними зеркалами-гелиостатами 3, или на отдельной площадке вне поля зеркал-гелиостатов. В этих случаях излучение от нагревателя 2 будут воспринимать только те фотоэлектрические панели 9, которые постоянно обращены к нагревателю 2.The solar tower power plant may have two simpler additional options when the solar photovoltaic panels 9 are fixed and placed either between adjacent heliostat mirrors 3, or on a separate site outside the field of heliostat mirrors. In these cases, only those photovoltaic panels 9 that are constantly facing the heater 2 will receive radiation from the heater 2.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет достичь поставленной технической задачи в повышении эффективности солнечных башенных электростанций. Технический результат, заключающийся в повышении КПД солнечных башенных электростанций, достигается тем, что в солнечной башенной электростанции собственные нужды покрываются фотоэлектрическими панелями, закрепленными на зеркалах - гелиостатах с возможностью дополнительно воспринимать излучение нагревателя станции.Thus, the application of the proposed device allows to achieve the technical task in improving the efficiency of solar tower power plants. The technical result, which consists in increasing the efficiency of solar tower power plants, is achieved by the fact that in a solar tower power plant, their own needs are covered by photovoltaic panels mounted on mirrors - heliostats with the ability to additionally receive the radiation from the station heater.

Claims

A solar tower power station containing a thermodynamic cycle unit, for example, Rankine or Stirling, with a cycle heater and heliostat mirrors made with the possibility of azimuthal and anti-aircraft tracking of the Sun using drives and reflecting sunlight to the heater located on top of the tower of the solar tower power station, consumer network, characterized in that the heliostat mirrors are equipped with a drive control unit, as well as solar photovoltaic panels fixedly attached to perimeter to each heliostat mirror, or photovoltaic panels made fixed and placed, for example, between adjacent heliostat mirrors, while the inputs of the azimuthal drive and the anti-aircraft sun tracking drive of each heliostat mirror are connected to the outputs of the drive control unit, the first input of which is connected to the common output circuit of the photovoltaic panels, and the second input is connected to the consumer network.