Спосіб перетворення енергії сонячних термодинамічних енергосистем

1. Спосіб перетворення сонячної енергії в електричну у паросиловому термодинамічному циклі, який відрізняється тим, що здійснюють теплову мультиплікацію енергії в процесі: робоче тіло основного паросилового циклу попередньо нагрівають за рахунок теплоти від стискування повітря в допоміжному газовому циклі, з наступним перегрівом в сонячному колекторі, причому C2 2 86236 1 3 традиційної паливної енергетики сонячні термодинамічні системи характеризуються: - більш високою собівартістю вироблення енергії; - сезонною та добовою нестабільністю вироблення енергії, а також розбіжністю в часі між виробленням та потребами у її споживанні; - значно вищою питомою металоємністю та потребують значної площі під геліостати. Вказані недоліки зумовили закриття єдиної в Україні Керченської СЕС-5, унеможливлюють створення сонячних систем малої та середньої потужності, незважаючи на суттєвий потенціал сонячного випромінювання в Україні 1,5...2МВт×год/м2 в рік. Спільною ознакою прототипу та заявленого способу є проведення перетворення сонячної енергії в електричну через термодинамічний паросиловий цикл. В основу запропонованого винаходу поставлено задачу підвищити експлуатаційну ефективність сонячних термодинамічних систем шляхом проведення теплової мультиплікації енергії, що дозволить залучити в процес додаткову енергію з джерел низькопотенційної теплоти, отримати стиснене повітря, досягти інтегрованості та енергоємності засобів акумулювання енергії, розширити функціональність енергосистеми внаслідок багато направленого використання супутнього ефекту охолодження, який пов'язаний з адіабатним розширенням газу та нагрівом кріомаси. Поставлена задача вирішується за рахунок проведення допоміжного газового циклу, який забезпечує отримання стисненого повітря та попередній нагрів робочого тіла основного паросилового циклу. Попередній нагрів дозволяє проводити перетворення сонячного випромінювання в енергію стисненої пари на вищому температурному рівні, чим забезпечує підвищення енергетичної ефективності енергосистеми. Отримання стиснутого повітря дозволяє проводити акумулювання енергії шляхом накопичення його в ресивері чи шляхом глибокого охолодження зріджувати та накопичувати в кріоємності. Розширення стисненого повітря в адіабатному процесі спричиняє зниження його температури, що використовується для вирішення задачі розширення функціональності енергосистеми - отримання зрідженого повітря, холоду та здійснення процесу кондиціонування. У запропонованому винаході в якості термодинамічного циклу може бути використаний довільний паросиловий цикл, зокрема, цикл Ренкіна, який добре вивчений і широко використовується в енергосилових установках. Найбільш доцільним в енергетичному плані є використання паросилових циклів з перегрівом пари [2, 281] та абсорбційних силових циклів, зокрема, циклу Калини [3]. Недоліком вказаних циклів є недостатньо високий ККД, який навіть для абсорбційних паросилових циклів не перевищує 40...50%. Основною відмінністю від зазначених термодинамічних циклів є отримання стиснутого повітря шляхом використання повітряного компресорного циклу, проведення передачі теплоти політропного стискування повітря до основного паросилового 86236 4 циклу та проведення обміну тиском між робочими тілами основного і допоміжного циклів. В запропонованому винаході для отримання кріомаси можуть бути використані відомі цикли глибокого охолодження, але серед них відрізняється ефективністю цикл двохступінчатого детандерного охолодження з виділенням рідкої фази [4, 105]. Відмінність полягає у функціональній направленості процесу, оскільки в запропонованому способі накопичення зрідженого повітря в основному орієнтоване на здійснення акумуляції, та досягнення максимальної узгодженості з основним процесом перетворення енергії сонячного випромінювання. Особливості здійснення запропонованого способу «теплової мультиплікації енергії сонячних термодинамічних систем» комплексно представлено структурною схемою Фіг.1, на якій показано енергетичні та масові потоки між основними і структурними одиницями. У відповідності до схеми Фіг.1 енергія сонячного випромінювання Евс направляється на сонячний колектор СК, де перетворюється в енергію стиснутої сухої пари Eп. Шляхом обміну тиском між робочими тілами основного паросилового та допоміжного компресорного циклів в силовій установці СУ енергія Eп перетворюється в енергію стиснутого повітря Eсп (варіант на Фіг.1 не показано). Можливим є перетворенням енергії Есп в механічний момент Ем, який надає руху компресору К і дозволяє отримати енергію стиснутого повітря Eсп (див. Фіг.1). В останньому випадку частина енергії Ем силової установки може бути перетворена в електричну енергію, що зумовить часткове зменшення потужності, тому не приймається за основний варіант. Важливим є передача теплоти qп політропного стиснення повітря в компресорі К, яка дозволяє здійснювати попередній нагрів робочого тіла основного паросилового циклу, що суттєво підвищує енергетичну ефективність системи в цілому. Теплота qп складається з теплової енергії, яка екстрагується з атмосфери довкілля q1cpд, та частини енергії деформації, від механічної роботи над робочим тілом компресора. Стиснуте повітря проходить пневморесивер ПВ, який не призначений для акумулювання енергії, а запобігає виникненню пульсацій потоку на перехідних режимах установки. За допомогою розподільника Р можливо визначати як окремі режими роботи, так і їх сукупність. Окремими режимами роботи є: - вивід стиснутого повітря; - передача стиснутого повітря на модуль зрідження повітря МЗ з метою акумулювання кріомаси мкм в кріососуді Акр; - перетворення енергії стиснутого повітря шляхом розширення його в детандері та отримання електричної енергії Еел за допомогою електричного перетворювача ЕП. Перевагою запропонованого способу є забезпечення оптимального інтегрування в енергосистему модуля кріогенного акумулювання енергії. Перетворення стиснутого повітря в кріомасу шляхом двохступінчатого детандерного охолодження з виділенням рідкої фази (заряд) та наступного 5 отримання стиснутого повітря (розряд) проходить з високим термічним ККД, оскільки в процесі заряду в результаті проведення ізотермічного потискування основного потоку відводиться менша теплота в порівнянні з q2срд, яка екстрагується з джерела низькопотенційної теплоти випаровником В, що зумовлює компенсацію втрат зумовлених незворотністю процесів кріогенного циклу. Робота розширення в детандерах високого та низького температурних рівнів йде на покриття втрат компресора підтискування частини потоку зарядки акумулятора Акр. Іншою перевагою є безвтратне отримання холоду, оскільки його напрацювання є супутнім ефектом роботи енергосистеми на всіх режимах роботи. Так, у випадку роботи детандера Д внаслідок розширення потоку стисненого повітря в умовах близьких до адіабатних, останній охолоджується внаслідок перетворення більшої частини внутрішньої енергії в механічну роботу, яка виводиться з системи. Охолоджений потік має температуру 120...150К, що дозволяє проводити довільний холодильний процес шляхом безпосереднього використання, теплообміном чи змішуванням з теплим потоком повітря для здійснення кондиціонування, при цьому від об'єкта охолодження буде забезпечено відведення теплоти q3cpд. У випадку роботи установки на режимі розрядки акумулятора Акр з об'єкта охолодження буде вилучено теплоту q2срд такими ж методами як і для попереднього режиму. З термодинамічної точки зору спосіб «теплової мультиплікації енергії сонячних термодинамічних систем» полягає в підвищенні якості енергії низькопотенціальної теплоти за рахунок більш впорядкованої енергії сонячного випромінювання, яка представляє собою енергію високого потенціалу. Такий процес досягається шляхом переведення низькопотенціальної теплоти довкілля на вищий температурний рівень, передачу її в ізотермічних чи політропічних умовах до робочого тіла основного циклу та перетворення її ексергетичної складової у енергію високого потенціалу. З точки зору енерговитрат, переведення теплоти довкілля на вищий температурний рівень в межах 50...100К є вигідним, оскільки зумовлює їх збільшення лише на 20...30%, але дозволяє в більшості компенсувати втрати на повернення в термодинамічний цикл робочого тіла паросилового чи абсорційносилового циклу. У випадку вилучення теплової енергії з довкілля на рівні 120...150К та враховуючи, що питома теплоємність повітря сp = 1,03кДж/(кг×К), а густина повітря r = 1,29кг/м3, щільність додатково залученої в процес перетворення енергії буде становити 160...180кДж/м3. Для порівняння - при об'ємній витраті в 1м3/с, з врахуванням густини теплової енергії повітря приведеної до 1м2, щільність потоку буде становить близько 160кВт/м2, що значно перевищує щільність сонячної енергії в найбільш сприятливих умовах - 1кВт/м2. Практично, враховуючи термічний і адіабатний ККД реальних термодинамічних процесів, слід очікувати збільшення потужності сонячних термодинамічних систем, що працюють за заявленим способом, в 1,5...2 рази 86236 6 від існуючих при однаковій площі активної поверхні дзеркал. Щільність енергії кріомаси повітря знаходиться з рівня теплоти, яка підводиться для її випаровування. Для двохстадійного нагріву та розширення щільність енергії буде становити 650кДж/кг, що з врахуванням густини зрідженого повітря 873кг/м3 та при використанні кріососуда ємністю лише 1м3 автономність роботи установки потужністю 10кВт складе понад 15 годин, що задовольняє вимогам до засобів малої та середньої альтернативної енергетики. Побудова сонячних енергосистем, які працюють за способом «теплової мультиплікації енергії» хоч має більш складнішу структурну будову, але добре піддається уніфікації, оскільки процеси на різних етапах перетворення енергії зводяться до розширення чи стискування з однаковим рівнем потужностей, що дозволяє використовувати пневмоагрегати однакового виконання та типажу. В якості таких агрегатів доцільно використовувати турбодетандери з аеростатичними опорами, які характеризуються значною питомою потужністю, ресурсом роботи, малою металоємністю та технологічністю виготовлення і виготовлення яких освоєно вітчизняною промисловістю. Слід зазначити, що внаслідок проведення попереднього прогріву робочого тіла основного циклу, вимоги до його температурного приросту в сонячному колекторі знижуються, тому рівень концентрації сонячної енергії може бути незначний і забезпечений навіть циліндрично-параболічними оптичними системам, які характеризуються високою технологічністю і меншою вартістю. Із вище викладеного слідує, що сумісне перетворення сонячної енергії та енергії низькопотенціальної теплоти надає ряд експлуатаційних переваг сонячним системам нового покоління. По-перше, спрощується проведення акумулювання енергії на проміжному етапі перетворення з мінімальними апаратними затратами при використанні пневматичних чи кріогенних акумуляторів, що дозволяє підвищити стабільність вироблення електричної енергії і автономність систем енергопостачання. По-друге, за рахунок отримання додаткової потужності, внаслідок перетворення теплоти повітря довкілля зменшується металоємність та вартість комбінованих систем енергопостачання. Зазначені експлуатаційні переваги суттєво позначаються на енерговіддачі, собівартості вироблення електричної енергії, рентабельності та термінах окупності, що має позначитися на темпах їхнього впровадження. Особливо перспективним є застосування способу теплової мультиплікації енергії сонячних термодинамічних установок в «малій» енергетиці, орієнтованій на широке застосування у сільській місцевості для вирішення енергетичних потреб фермерських господарств, різноманітних дрібних та кооперативних споживачів, малих підприємств, яка дотепер не мала відповідного розвитку в силу низької технікоексплуатаційної та економічної ефективності сонячних енергосистем. 7 86236 Список використаних джерел: 1. Уделл Свен. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии /Пер. со швед.- М.: «Знание», 1980. 2. Буляндра О.Ф. Технічна термодинаміка: Підруч. для студ. енерг. спец. вищ. навч. закл. - К.: Техніка. 2001. - 315с. 3. Prof. Pall Valdimarsson, Larus Eliasson. Factors influencing the economics of the KaIina Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 8 power cycle and situations of superior performance. International Geothermal Conference, Reykjavik, Sept. 2003 Session # 1. 4. Архаров А.М.и др. Техника низких температур / Архаров А.М., Буткевич К.С., Головинцов А.Г. и др.; Под ред. Е.И. Миколина и И.В. Марфениной. - М.-Л.: Энергия, 1964.- 448с. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601