Gazowo-wodna elektrociepłownia zwłaszcza solarna.
Ostatnio opracowanym przeze mnie wynalazkiem jest urządzenie termodynamiczne, którego projekt został zgłoszony do Urzędu Patentowego R.P. w dniu 25.04.2022r. p.t. „Gazowo-wodna elektrociepłownia zwłaszcza solarna” nr zgłoszenia patentowego P.441034 [WIPO ST 10/C P.441034]. Urządzenie to otwiera kolosalne możliwości energetyczne w sektorze OZE. Obecnie stosowane są kolektory słoneczne podgrzewające wodę, oraz panele fotowoltaiczne wytwarzające energię elektryczną ze sprawnością w przedziale 16-22%. Urządzenie według mojego projektu może podgrzewać wodę, oraz wytwarzać energię elektryczną ze sprawnością w bardzo szerokim zakresie (tabela sprawności na stronie). Ponadto urządzenie to dzięki opcji magazynowania gorącej wody, może pracować po zachodzie słońca, kiedy konsumpcja energii elektrycznej jest wysoka. Dodatkowo można konstruować urządzenie w wersji hybrydowej, przystosowane do wytwarzania energii elektrycznej i ciepłej wody w dni pochmurne, gdzie źródłem ciepła jest spalanie dowolnego paliwa stałego, ciekłego czy gazowego. Przykładowo można w dni słoneczne z części wyprodukowanej energii elektrycznej, za pośrednictwem elektrolizy, produkować wodór, który spalany w dni pochmurne może być źródłem energii dla zachowania nieprzerwanej pracy elektrociepłowni. Należy tutaj zaznaczyć, że w tym przypadku produktem spalania jest woda, co czyni taką elektrociepłownię w 100% ekologiczną. Pragnę również nadmienić, że urządzenie według tego projektu będzie się cechować wysoką żywotnością i niezawodnością, a pracując w warunkach wysokiego nasłonecznienia, na przykład w Afryce, nagrzewanie się instalacji nie rodzi skutków ubocznych, tak jak w przypadku paneli fotowoltaicznych, których żywotność i sprawność energetyczna znacząco spada. W przypadku gazowo-wodnej elektrociepłowni zwłaszcza solarnej, w im wyższej temperaturze ona pracuje, tym lepiej dla jej ogólnej sprawności.
W mojej ocenie projekt ten może się okazać (podobnie jak turbina gazowa o cechach pompy ciepła) receptą na zwalczenie światowych problemów klimatycznych, ekologicznych, energetycznych i ekonomicznych. Nadmienię tutaj, że według moich wyliczeń, gdyby zbudować instalacje według tego projektu na powierzchni 215 km2 (14,5 km / 14,5 km) to można by zaspokoić obecne potrzeby energetyczne Polski (165,5 TWh), a koszt takiej inwestycji wyniósłby około 120.000.000.000,- złotych (bez kosztów dzierżawy lub kupna gruntów pod instalacje). Jeżeli chodzi o zaspokojenie obecnych potrzeb energetycznych całego Świata (23.000 TWh) należałoby zbudować instalacje według tego projektu na powierzchni około 30.000 km2 (173 km / 173 km). W skali globalnej inwestycja ta byłaby na poziomie około 3.500.000.000.000,- EURO (bez kosztów dzierżawy lub kupna gruntów pod instalacje), i dzięki tej inwestycji, Świat odetchnąłby z ulgą od czarnej wizji katastrofy klimatycznej. Oczywiście nie są to pieniądze „wyrzucone w błoto”, zysk ze sprzedaży energii w cenie 0,13 EURO za 1 kWh, to w skali globalnej 2.990.000.000.000,- EURO rocznego zysku. Należy również zaznaczyć, że jest to zielona energia, dzięki czemu ilość postawionych instalacji można zwielokrotnić, dając Światu jeszcze więcej czystej energii, bez szkody dla środowiska i klimatu.
Gazowo-wodna elektrociepłownia zwłaszcza solarna.
Opracowane na podstawie zgłoszenia patentowego nr P.441034 z dnia 25.04.2022r.
Przedmiot wynalazku. Przedmiotem wynalazku jest gazowo-wodna elektrociepłownia zwłaszcza solarna, która cechuje się szerokim zakresem sprawności energetycznej, wysoką żywotnością i niezawodnością. Elementem grzewczym instalacji są próżniowe szklane rury solarne nagrzewające przepływające strumienie powietrza, które wymuszają pracę silnika tłokowego napędzającego prądnicę wytwarzającą prąd elektryczny. Wstępne wyliczenia pozwalają oszacować, że sprawność urządzenia pod kątem wytwarzania energii elektrycznej będzie uzależniony od temperatury pracy urządzenia w zakresie od kilku do kilkudziesięciu procent. Dodatkową energią generowaną przez instalację jest energia cieplna podgrzewająca wodę. W warunkach Polskich w letni słoneczny dzień, kiedy energia słoneczna generuje moc około 1.100 W/m2,elektrociepłownia solarna z powierzchni 1 hektara może uzyskać moc elektryczną na poziomie 3 MW, oraz znaczną część energii cieplnej skumulowanej w ciepłej wodzie. W warunkach Afrykańskich w słoneczny dzień, kiedy energia słoneczna generuje moc około 2.000 W/m2,elektrociepłownia solarna z powierzchni 1 hektara może uzyskać moc elektryczną na poziomie 6 MW, oraz znaczną część energii cieplnej skumulowanej w ciepłej wodzie. Podgrzaną wodę można magazynować w o izolowanych termicznie zbiornikach, i dodatkowo podgrzewając tą wodę częścią energii elektrycznej wytworzonej w ciągu dnia, można w nocy zmagazynowaną energię wykorzystać do napędu urządzenia wytwarzającego prąd elektryczny, dzięki czemu można dostarczać do sieci energetycznej prąd, na którego zapotrzebowanie jest większe po zachodzie słońca. Bardzo istotną cechą gazowo-wodnej elektrociepłowni zwłaszcza solarnej, jest to, że nie wymaga ona dodatkowego chłodzenia podczas swojej pracy. Gazowo-wodna elektrociepłownia według wynalazku, może być wykonana tak, że zamiast nagrzewnicy solarnej, zastosowana jest nagrzewnica pozyskująca ciepło ze spalania paliwa stałego, płynnego lub gazowego, jak również elektrociepłownia według wynalazku może pozyskiwać ciepło z rozszczepienia pierwiastków promieniotwórczych. Gazowo-wodna elektrociepłownia według wynalazku, może być również wykonana w wersji turbinowej.
Stan techniki. W obecnym czasie istnieją na świecie panele fotowoltaiczne o sprawności 16-22%, które w warunkach Afrykańskich wymagają dodatkowego chłodzenia. Istnieją również panele solarne do podgrzewania wody, które nie wytwarzają energii elektrycznej.
Istota wynalazku. Gazowo-wodna elektrociepłownia zwłaszcza solarna, składa się z elementów grzewczych, którymi są próżniowe szklane rury solarne nagrzewające przepływające strumienie powietrza, które rozszerzając się w wyniku podgrzania, wymuszają pracę silnika tłokowego napędzającego prądnicę wytwarzającą prąd elektryczny. Silnik tłokowy elektrociepłowni według wynalazku składa się z dwóch sekcji cylindrów sprężających i roboczych, przy czym objętość skokowa cylindrów roboczych jest większa od objętości skokowej cylindrów sprężających. Wstępne wyliczenia pozwalają oszacować, że sprawność urządzenia pod kątem wytwarzania energii elektrycznej będzie oscylować w zakresie od 0 do 30% przy maksymalnej temperaturze podgrzania powietrza do 500 CO, przy czym, aby instalacja solarna mogła pracować na wyższych temperaturach, należy zastosować efekt soczewkowania skupiający promieniowanie słoneczne na rurkach solarnych. Dodatkową energią generowaną przez instalację jest energia cieplna podgrzewająca wodę, która to energia jest odzyskiwana z kanału wydechowego urządzenia. Podgrzaną wodę można magazynować w o izolowanych termicznie zbiornikach, i dodatkowo podgrzewając tą wodę częścią energii elektrycznej wytworzonej w ciągu dnia, można w nocy zmagazynowaną energię wykorzystać do napędu urządzenia wytwarzającego prąd elektryczny, dzięki czemu można dostarczać do sieci energetycznej prąd, na którego zapotrzebowanie jest większe po zachodzie słońca. Bardzo istotną cechą gazowo-wodnej elektrociepłowni zwłaszcza solarnej, jest to, że nie wymaga ona dodatkowego chłodzenia podczas swojej pracy. W warunkach Polskich w letni słoneczny dzień, kiedy energia słoneczna generuje moc około 1.100 W/m2,elektrociepłownia solarna z powierzchni 1 hektara może uzyskać moc elektryczną na poziomie 3 MW, oraz znaczną część energii cieplnej skumulowanej w ciepłej wodzie. W warunkach Afrykańskich w słoneczny dzień, kiedy energia słoneczna generuje moc około 2.000 W/m2,elektrociepłownia solarna z powierzchni 1 hektara może uzyskać moc elektryczną na poziomie 6 MW, oraz znaczną część energii cieplnej skumulowanej w ciepłej wodzie. Gazowo-wodna elektrociepłownia według wynalazku, może być wykonana tak, że zamiast nagrzewnicy solarnej, zastosowana jest nagrzewnica pozyskująca ciepło ze spalania paliwa stałego, płynnego lub gazowego, jak również elektrociepłownia według wynalazku może pozyskiwać ciepło z rozszczepienia pierwiastków promieniotwórczych. Gazowo-wodna elektrociepłownia według wynalazku, może być również wykonana w wersji turbinowej, w której zamiast silnika tłokowego stosuje się analogicznie turbinę sprężającą i turbinę roboczą napędzającą prądnicę wytwarzającą prąd elektryczny.
Przykład wykonania. Gazowo-wodna elektrociepłownia zwłaszcza solarna pracująca w układzie zamkniętym, została przedstawiona w przykładzie wykonania gdzie, na przykładzie układu tłokowego przedstawia się to w następujący sposób: Na dolocie 1 układu zastosowane jest tłokowe urządzenie sprężające 2, które zasysa gaz o ciśnieniu atmosferycznym i niskiej temperaturze otoczenia 20 CO. Następnie gaz ten zostaje sprzężony w cylindrach sprężających 3 w stopniu 1:1,57 do wartości 1,74 bar, przez co jego temperatura wzrasta do wartości około 78 CO. Gaz ten zostaje wtłoczony do rurek solarnych 4, w których poprzez oddziaływanie energii słonecznej, zostaje podgrzany do temperatury 200 CO, przez co przy mniej więcej tym samym ciśnieniu 1,74 bar, jego objętość wzrasta o około 35%. Gaz ten jest kierowany do dolotu 5cylindrów roboczych 6, o pojemności skokowej większej od pojemności skokowej cylindrów sprężających 3. Pojemność skokowa cylindrów roboczych 6 jest większa o 35% od objętości skokowej cylindrów sprężających 3. Fazy rozrządu sterujące wymianą gazów w cylindrach 3 i 6 dobrane są tak, aby masa powietrza przepływająca z rurek 4 solarnych do cylindrów roboczych 6 była taka sama jak masa powietrza tłoczona z cylindrów sprężających 3 do rurek solarnych 4. Dzięki temu zostaje zachowane utrzymanie w rurkach solarnych 4 ciśnienia na poziomie 1,74 bara. Jeżeli przyjmiemy, że przy skoku tłoka sprężającego 7 równym 10 cm mamy powierzchnię denka tłoka sprężającego 7 równą 100 cm2, to przy tym samym skoku tłoka roboczego 8 równą 10 cm mamy powierzchnię denka tłoka roboczego 8 równą 135 cm2. Dzięki temu mamy większą siłę nacisku na tłok roboczy 8, czego wynikiem jest praca urządzenia. Różnica w objętości cylindrów roboczych względem cylindrów kompresora, jest ustalana podczas projektowania urządzenia i wynika z procentowej różnicy w objętości gazu sprężonego względem gazu sprężonego i podgrzanego, dla takiego samego ciśnienia gazów. Po wykonaniu pracy w cylindrach roboczych 6, gaz ma temperaturę około 122 CO i jest kanałem wydechowym 9zawracany do wymiennika ciepła 10 gdzie podgrzewa przepływającą wodę. Podgrzana woda jest magazynowana w o izolowanym termicznie zbiorniku 11, przy czym woda ta zostaje dodatkowo podgrzana częścią energii elektrycznej wytworzonej w ciągu dnia, aby w nocy zmagazynowaną energię wykorzystać do napędu urządzenia wytwarzającego prąd elektryczny. Jeżeli temperatura wody wpływającej do wymiennika ciepła 10 jest na tyle niska aby schłodzić gaz wylotowy ze 122 CO do temperatury 20 CO i ciśnienia 1 bara, to można ten gaz kanałem dolotowym 1 skierować do dolotu cylindrów sprężających 3, co tworzy obieg zamknięty, z którego stosowania czerpie się korzyść taką jak brak konieczności stosowania filtru powietrza na dolocie 1 do silnika. Urządzenie według wynalazku może być wykonane bez stosowania układu podgrzewającego wodę, wtedy też po wykonaniu pracy w cylindrach roboczych, gaz o temperaturze około 122 CO jest kanałem wydechowym 9 wypuszczany do otoczenia. W takim przypadku do dolotu 1 cylindrów sprężających 3, po przefiltrowaniu pobierane jest powietrze otoczenia o temperaturze około 20 CO latem i około 0 CO zimą.
Objaśnienie figur rysunków. Fig. 1 – Przedstawia schemat urządzenia. Fig. 2 – Przedstawia przykładowe fazy rozrządu urządzenia.
Zalety urządzenia. Gazowo-wodna elektrociepłownia zwłaszcza solarna, jest rewolucyjnym urządzeniem, dzięki któremu można rozwiązać wiele problemów: ekologicznych, klimatycznych, energetycznych i ekonomicznych na całym Świecie.
Tabela sprawności
Gazowo-wodnej elektrociepłowni zwłaszcza solarnej.
Aby w rzeczywistości odwzorować powyższe wyniki,
należy zastosować daleko idącą adiabatyzację tłokowego układu roboczego oraz połączeń i wymienników ciepła instalacji.
