Установка экстракции воды из воздуха на базе солнечного модуля с параболоторическим концентратором и двигателем Стирлинга
APPARATUS FOR EXTRACTING WATER FROM AIR BASED ON SOLAR MODULE WITH PARABOLIC CONCENTRATOR AND STIRLING ENGINE

Изобретение относится к устройствам получения пресной воды из атмосферного воздуха с использованием возобновляемых источников энергии, в частности к солнечной энергетической системе, которая использует двигатель Стирлинга, и может быть использовано для сельского хозяйства, питьевого водоснабжения, а также для нужд промышленности.
Известна установка для конденсации пресной воды из паров во влажном воздухе, в работе которой используется солнечная энергия, которая содержит аккумулятор холода, воздуховод и водосборник и снабжена тепловыми трубами, солнечным коллектором и соединенным с ним нагревателем воздуха (патент РФ №2131000; E03B 3/28; B01D 5/00; опубликовано 27.05.1999). Аккумулятор холода расположен на водосборнике и образует объем с большой внутренней конденсационной поверхностью и хорошей проницаемостью для воздушных потоков. Воздуховод выполнен в виде вытяжной трубы, расположенной над аккумулятором холода, внутри которой находится нагреватель воздуха, и воздушных каналов, расположенных в нижней части аккумулятора, в котором находятся оребренные концевые части тепловых труб.
Недостатком установки является сложность управления воздушными потоками внутри системы, что приводит к неравномерности течения, а также к усложнению конструкции.
Известна установка для получения пресной воды из воздуха, в работе которой используется солнечная энергия (заявка ФРГ № 3313711, МПК E03B 3/28, опубл.1984).За счет электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, холодильный агрегат производит холод, который выделяется на теплообменнике-испарителе. Влажный воздух с помощью вентилятора продувается через воздуховод, в котором расположен испаритель. В результате контакта с поверхностью теплообменника-испарителя воздух охлаждается, содержащийся в нем пар становится насыщенным, частично конденсируется на поверхности теплообменника и стекает в водосборник.
Недостатками известной установки являются необходимость выработки электроэнергии и низкая производительность.
Известен солнечный модуль с параболоторическим концентратором в составе с двигателем Стирлинга для управления средствами производства электроэнергии, содержащий цилиндрический фотоприемник двигателя Стирлинга, установленный в фокальной области с цилиндрическим устройством охлаждения расположенного ниже концентратора (патент РФ № 2522376, МПК H02S10/00, опубл.10.07.2014). Концентратор выполнен составным в виде тела вращения с зеркальной внутренней поверхностью отражения, состоящего из трех зон  a-b, b-c, c-d, причем форма отражающей поверхности концентратора Х(У) определена системой уравнений, соответствующей условию освещенности различных частей поверхности фотоприемника.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является солнечная установка для получения воды из воздуха, содержащая корпус с окнами ввода и вывода воздуха, солнечные элементы на наружной поверхности корпуса и размещенный внутри него испаритель холодильной машины с внутренней ребристой поверхностью, сборник воды в нижней части (патент РФ № 2200281, МПК F24J 2/32, опубл. 24.02.2007). Корпус установки выполнен в виде вертикальной или наклонной теплоизолированной шахты, окно ввода воздуха расположено в верхней части, а вывода воздуха - в нижней части шахты, испаритель холодильной машины выполнен преимущественно многоступенчатым в виде змеевиковых труб, расположенных и на одном уровне и по высоте шахты на определенном расстоянии друг от друга, при этом входные концы труб расположены выше или ниже выходных концов для обеспечения самотечного течения хладагента, а оребрение выполнено в виде пакета гофрированных поверхностей, плотно соединенных с трубами и перпендикулярно расположенных к этим трубам и вдоль труб вертикально вниз и установленных на расстоянии друг от друга в пакете, солнечные элементы выполнены в виде солнечных коллекторов, содержащих абсорбент или теплоноситель для регенерации хладагента.
Недостатком известной установки является большая зависимость КПД от разности температур солнечных коллекторов и сложность конструкции и обеспечения бесперебойного курсирования хладагента по теплообменнику.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности получения пресной воды из атмосферного воздуха с использованием энергии солнца с низкой себестоимостью.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность повысить эффективность экстракции воды из атмосферного воздуха с низкой себестоимостью за счет оснащения установки солнечным модулем с параболоторическим концентратором и двигателем Стирлинга, который передает движение гидравлическому приводу для работы вентилятора и регенерации хладагента в тепловом контуре.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая установка экстракции воды из воздуха на базе солнечного модуля с параболоторическим концентратором и двигателем Стирлинга, содержащая корпус с окнами ввода и вывода воздуха, с размещенными внутри корпуса тепловым контуром с курсирующим хладагентом, конденсатором и испарителем, на котором конденсируется влага, водосборником, согласно изобретению снабжена солнечным модулем, состоящим из параболоторического концентратора и двигателя Стирлинга, который создает фокальную область на поверхности цилиндрического фотоприемника, в нижней части двигателя Стирлинга расположено устройство охлаждения, а в корпусе, засыпанном землей, образующей холм, установлены гидронасос, два гидромотора, вентилятор, компрессор, перекачивающий хладагент по тепловому контуру, при этом двигатель Стирлинга соединен через кривошипно-шатунный механизм с гидронасосом, который соединен напорными магистралями с гидромоторами, на вал одного из которых установлен  вентилятор, а другой гидромотор соединен с компрессором, причем нижняя часть теплового контура с конденсатором и компрессором зарыты в грунт, а верхняя часть теплового контура с испарителем находится внутри корпуса, под испарителем расположен водосборник, в нижней части которого вмонтирован водопровод, доставляющий экстрагированную воду к потребителю.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема установки экстракции воды из воздуха на базе солнечного модуля с параболоторическим концентратором и двигателем Стирлинга.
Установка содержит солнечный модуль, состоящий из параболоторического концентратора 1 и из двигателя Стирлинга 2, который создает фокальную область 3 на поверхности цилиндрического фотоприемника 4, устройство охлаждения 5, расположенное в нижней части двигателя Стирлинга 2, корпус 19 с окнами ввода 17 и вывода воздуха 18, в котором установлены гидронасос 6, который воспринимает механическую энергию от двигателя Стирлинга через кривошипно-шатунный механизм 7, гидромотор 8 и гидромотор 9, вентилятор 10, компрессор 11, тепловой контур 12, испаритель 13, конденсатор 14, водосборник 15, водопровод 16,корпус 19 для теплоизоляции засыпан землей, образуя холм 20, напорные магистрали 21 и 22.
Солнечный модуль установлен на наружной поверхности корпуса 19, засыпанного землей, образуя холм 20. Параболоторический концентратор 1 двигатель Стирлинга 2 устанавливается в фокус параболоторического концентратора 1 таким образом, чтобы область нагрева фотоприемника 4 была постоянно освещена. Двигатель Стирлинга 2 соединен через кривошипно-шатунный механизм 7 с гидронасосом 6, который соединен напорными магистралями 21 и 22 с гидромоторами 8 и 9. Гидромотор 8 через вал соединен с вентилятором 10. Гидромотор 9 соединен с компрессором 11 с помощью механизмов передачи движения. Нижняя часть теплового контура 12 с конденсатором 14 и компрессором 11 зарыты в грунт, а верхняя часть теплового контура 12 с испарителем 13 находится внутри корпуса 19. Под испарителем 13 расположен водосборник 15, в нижней части которого вмонтирован водопровод 16.
Установка экстракции воды из воздуха на базе солнечного модуля с параболоторическим концентратороми двигателем Стирлинга работает следующим образом.
Солнечное излучение попадает на поверхность параболоторического концентратора 1 и отражается под углами наклона б,в,г,ж, ориентированными в своих зонах таким образом, чтобы они обеспечивали концентрацию солнечного излучения в фокальной области 3 на различных частях поверхности фотоприемника 4, тепловая энергия приводит в движение поршни двигателя Стирлинга 2, кривошипно-шатунный механизм 7 в свою очередь передает механическое движение от поршней двигателя Стирлинга гидронасосу 6, механическая энергия преобразуется гидронасосом 6 в гидравлическую энергию, которая нагнетает рабочую жидкость через напорные магистрали 21 и 22, приводя в действие гидромоторы 7 и 8. Рабочая жидкость, отдав свою энергию гидромоторам 8 и 9, возвращается обратно к гидронасосу 6. Гидромотор 8 передает крутящий момент вентилятору 9, а за счет работы гидромотора 9 приводится в действие компрессор 11, перекачивающий хладагент по тепловому контуру 12. За счет испарения хладагента при температуре рабочей зоны установки испаритель 13 охлаждается и на его поверхности конденсируется влага из атмосферного воздуха, всасываемого вентилятором 10 через окно ввода 17. Конденсатор 13 теплового контура 12 и компрессор 11 зарыты в грунт. Хладагент охлаждается при теплоотдаче в грунт, проходя через конденсатор 13. Компрессор 11 перекачивает жидкий хладагент вверх в испаритель, цикл регенерации хладагента повторяется. Сухой воздух удаляется из рабочей зоны через окно вывода воздуха 18. Сконденсированная влага стекает с испарителя 13, выполненного в виде радиатора, в водосборник 15. Из водосборника 15вода по водопроводу 16 поступает к потребителю.