Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки

При использовании солнечной энергии в процессах опреснения воды имеет место вопрос нецелесообразного использования энергии пара при изменении его агрегатного состояния, то есть при переходе из парообразного состояния в жидкое [1–7]. В связи с этим для увеличения энергоэффективности установок принято решение применить пар в процессах получения электрической энергии за счет внедрения промежуточной секции в опреснительной установке. Секция состоит из паровой турбины и генератора, где образовавшийся от нагрева опресняемой жидкости пар при расширении передаст свою кинетическую энергию в механическую энергию вращения турбины.

Экспериментальные исследования процессов получения электрической энергии и очищенной воды в составе одного энергоэффективного комплекса проводятся впервые.

Структурная схема использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки приведена на рис. 1.

Целесообразность использования генератора оправдана при суммарной тепловой мощности

солнечных коллекторов от 3 кВт. Общий вид комплекса представлен на рис. 2.

Теоретический расчет производительности комплекса показал целесообразность использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки [8–12].

Работа комплекса определяется следующими зависимостями:

G п = f ( H , η, p ⁰ –1); D = f ( n –1);

l = f ( G _п – 1, D – 1), при N = const,           (1)

где N – мощность энергоустановки, кВт; G _п – расход пара на турбину, кг/с; H – располагаемый теп-лоперепад в микротурбине, кДж/кг; η – КПД энергоустановки; p ⁰ – давление перед турбиной, МПа; D – диаметр рабочего колеса, м; l – высота рабочей лопатки, м; р _к – давление на выходе из турбины, МПа; t ⁰ – температура на входе в турбину, °С.

Для подтверждения теоретических расчетов и проверки адекватности работы комплекса разработан стенд (рис. 3) и проведены экспериментальные исследования с имитацией работы комплекса в течение нескольких летних месяцев.

Исследования и расчеты процессов парообразования в составе солнечной опреснительной

Рис. 1. Структурная схема использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки

Альтернативные источники энергии

Рис. 2. Схема выработки электрической энергии в солнечной опреснительной установке: 1 – парогенератор, 2 – турбина с генератором, 3 – конденсатор, 4 – трубопровод подачи очищенной воды, 5 – теплоноситель, 6 – солнечные коллекторы

Рис. 3. Экспериментальный стенд выработки электрической энергии за счет использования солнечной энергии: 1 – солнечные коллекторы, 2 – опреснитель, 3 – циркуляционный насос, 4 – тепловая турбина и генератор, 5 – теплообменник

установки проводились ранее и их результаты приведены в статье [13–15]. Закономерности, полученные в результате этих испытаний, позволяют рассчитать объемы полученного пара, и тем самым заменить солнечные коллекторы электрическим нагревателем ТЭК-2 мощностью 6 кВт, что равноценно 40 трубкам вакуумного коллектора [16].

Принцип действия стенда заключается в том, что электрический нагреватель, имитируя работу солнечных коллекторов 1 и теплообменника 5, нагревает теплоноситель, который через насос 3 циркулирует через опреснитель 2, откуда образовавшийся пар попадает в паровую турбину 4, на валу которой установлен генератор.

Секция для выработки электрической энергии состоит из радиальной одноступенчатой турбины, установленной непосредственно на вал генератора мощностью 150 Вт (рис. 4).

КПД турбины в дальнейшем планируется увеличить на 25 % за счет модернизации установки, использования более плотных концевых уплотнителей и увеличения количества сопла для равномерного распыления пара внутри турбины.

а)

б)

Рис. 4. Радиальная одноступенчатая турбина (а) и сопло (б)

Кирпичникова И.М., Рахматулин И.Р.

Рис. 5. Графики зависимости выработки электрической энергии (1) и объем полученной очищенной воды (2) в летние месяцы использования комплекса

На рис. 5 показан график зависимости выработки электрической энергии в течение дня, невысокая производительность комплекса объясняется низким КПД генератора – 50 %.

Таким образом, использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки позволит увеличить эффективность комплекса, сделать его полностью автономным. Электрическую энергию, вырабатываемую комплексом, в зависимости от мощности комплекса, можно использовать как для питания собственных нужд станции (насосы, система управления), так и подачи электроэнергии в сеть.

Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки экономически целесообразно при использовании от 40 трубок вакуумных солнечных коллекторов и с поступлением солнечной радиации от 1000 кВт∙ч/м2 в год.

Заключение

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности увеличения выходной мощности комплекса за счет увеличения трубок солнечных коллекторов и увеличения КПД генератора и турбины на 20 % с учетом снижения тепловых потерь при передаче энергии от коллекторов до турбины. Вследствие этого становится возможной разработка энергоэффективного комплекса для обеспечения электрической энергией в 3 кВт∙ч и питьевой водой в объеме 40 л в сутки загородного дома при использовании 27 модулей вакуумных коллекторов фирмы Rucelf.