ГЕЛИОСИСТЕМА
SOLAR SYSTEM

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в системах солнечного теплоснабжения и поддержания благоприятной температуры в условиях континентального климата.
Известна гелиосистема по патенту RU №2312276, 2007 г., выполненная из двух гидроконтуров, соединенных трубопроводами, содержащая солнечный коллектор, имеющий с подводящий и отводящий патрубки, тепловой бак-аккумулятор, теплообменник и батареи обогрева потребителей.
В прототипе солнечное излучение, проходя через светопрозрачные участки солнечного коллектора, разогревает размещенный во внутренней полости солнечного коллектора теплоноситель. При этом происходит нагрев теплоносителя во внутренних полостях солнечного коллекторам через узкую щель (сужающее устройство) в верхней его части, проходит в паровую емкость, где теплоноситель затем конденсируется и передает тепловую энергию в теплообменник, а из него по прямому трубопроводу второго гидроконтура через трехходовой вентиль - в тепловой бак-аккумулятор или в батареи обогрева потребителя. Жидкий теплоноситель из теплового бака-аккумулятора по обратному трубопроводу первого контура перетекает в контейнер, размещенный в нижней части солнечного коллектора.
Тепловая энергия из теплообменника по прямому трубопроводу второго контура через трехходовой вентиль передается в дневное время в тепловой бак-накопитель, а в ночное - в батареи обогрева потребителя из теплового бака-накопителя.
Система не лишена нескольких существенных ограничений, сужающих ее повсеместное применение:
- необходимость использования в качестве теплоносителей дорогостоящих и экологически небезопасных материалов, таких как парафин, Фреон-113, водоаммиачный раствор и т.д., для обеспечения относительно низкой температуры фазового перехода;
- нормальное функционирование системы возможно лишь при высокой интенсивности солнечной радиации, достаточной для фазового перехода теплоносителя в парообразное состояние;
- отсутствие возможности поддержания благоприятной температуры потребителя охлаждением окружающего воздуха в жаркое время суток;
- раздельное размещение теплообменника первого гидроконтура и теплового бака-накопителя, существенно увеличивающих материалоемкость конструкции;
- непригодность использования имеющегося солнечного коллектора для обогрева потребителя в ночное время суток.
Эти недостатки прототипа ограничивают возможности поддержания благоприятной температуры потребителя в широком температурном диапазоне окружающего воздуха и снижают энергоэффективность системы в целом.
Задача изобретения - поддержание благоприятной температуры потребителя в широком диапазоне температуры окружающего воздуха.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии для поддержания благоприятной температуры потребителя в широком температурном диапазоне окружающего воздуха.
Для достижения технического результата в качестве теплоносителя в обоих контурах системы применена вода, солнечный коллектор выполнен в виде эластичной светопрозрачной панели с подводящим и отводящим патрубками и размещен во втором гидроконтуре, в состав которого введен вакуумный насос, в первый контур гидросистемы введен циркуляционный насос и врезан в трубопровод между контейнером и тепловым баком-аккумулятором с теплообменником, кроме того, контейнер, имеющий откидную крышку-экран, выполнен со светопрозрачной верхней торцевой панелью.
Структура гидросистемы показана на фиг. 1. Первый гидроконтур системы содержит теплоизолированный контейнер 1 со светопрозрачной верхней торцевой панелью 2, откидной крышкой-экраном 3 с подводящим 4 и отводящим 5 патрубками, присоединенными к прямому 6 и обратному 7 трубопроводам первого гидроконтура. В прямой трубопровод 6 врезан циркуляционный насос 8, выход которого присоединен к входному патрубку 9 теплового бака-аккумулятора 10, выходной патрубок 11 которого соединен обратным трубопроводом 7 с входным патрубком 4 контейнера. Первый гидроконтур заполнен водой - общедоступным жидким теплоносителем.
1
Второй гидроконтур содержит размещенный внутри теплового бака-аккумулятора 10 теплообменник 12 с верхним 13 и нижним 14 патрубками, нижним 15 и верхним 16 трубопроводами, к выходу которого врезан вакуумный насос 17. К входу вакуумного насоса 17 присоединен верхний патрубок 18 светопрозрачного солнечного коллектора 19 в виде гибкой эластичной панели с нижним патрубком 20. К нижнему патрубку 20 солнечного коллектора присоединен первый вход-выход 21 трехходового вентиля 22, ко второму входу-выходу 23 которого присоединены параллельно нижний трубопровод 15 и вход сужающего устройства 24. Выход сужающего устройства 24 присоединен к входу 25 трехходового вентиля 22, выполненного в виде электромагнитного клапана с входом управления 26 сигналом U.
1
2
При отсутствии необходимости корректировки температуры потребителя сигналом U=0 обесточены вакуумный насос 17 и вход 26 электромагнитного клапана 22 - его вход-выход 23 и вход-выход 21 свободно сообщаются между собой, происходит конвекция жидкого теплоносителя по второму гидроконтуру. Если на поверхности солнечного коллектора 19 падает энергия солнечной радиации и температура жидкого теплоносителя в его внутренних полостях выше температуры воды в тепловом баке-аккумуляторе 10, то жидкий теплоноситель циркулирует в солнечном коллекторе 19 по часовой стрелке от нижнего патрубка 20 к верхнему 18 через обесточенный вакуумный насос 17 и верхний патрубок 13 в теплообменник 12. Тепловая энергия из теплообменника 12 отдает тепло в заполненный водой тепловой бак-аккумулятор 10 от верхнего патрубка 13 к нижнему патрубку 14 - происходит накопление тепловой энергии в жидком теплоносителе первого контура. В темное и ночное время суток во втором гидроконтуре происходит конвекция жидкого теплоносителя против часовой стрелки - из теплообменника 12 через его верхний патрубок 13, трубопровод 16 и открытый в обесточенном состоянии вакуумный насос 17 от верхнего патрубка 18 солнечного коллектора 19 к его нижнему патрубку 20, через входы-выходы 21 и 23 трехходового электромагнитного клапана 22, трубопровод 15 к нижнему патрубку 14 теплообменника 12. Тепловая энергия из воды теплового бака-аккумулятора 10 переходит в теплообменник 12 и рассеивается в окружающее пространство поверхностями солнечного коллектора 19. Для естественной циркуляции жидкого теплоносителя от верхнего патрубка 18 к нижнему патрубку 20 солнечный коллектор 19 установлен вертикально или наклонно. При этом не происходит перехода жидкого теплоносителя во втором гидроконтуре в парообразное состояние, так же как и в первом гидроконтуре. Трехходовой электромагнитный клапан 22 и вакуумный 17 насос обесточены и потребление электрической энергии в системе отсутствует. В случае необходимости дополнительной конвекции тепловой энергии из контейнера 1 в тепловой бак-накопитель 10 циркуляционный насос 8 в ночное время может быть включен сигналом U=1 с целью обогрева поверхностей солнечного коллектора 19 через теплообменник 12.
1
При высокой интенсивности солнечной радиации возможно повышение температуры потребителя в системе до неблагоприятного значения. В этом случае сигналом U=1 подается питание на вакуумный насос 17 и на вход 26 управления трехходовым электромагнитным клапаном 22. Вход 24 и выход 25 электромагнитного клапана соединены друг с другом, а вход-выход 23 перекрыт, чем обеспечено дозированное поступление жидкого теплоносителя через сужающее устройство 24 во внутренние полости солнечного коллектора 19. Работающий вакуумный насос создает во внутренних полостях солнечного коллектора 19 остаточное давление не более 10 мбар, при этом температура кипения воды понижается примерно до 8-10°C. За счет аномальной фазопереходной теплоемкости воды (более 500 кКал⋅кг⋅°C) тепловая энергия с разогретых поверхностей солнечного коллектора 19 интенсивно поглощается внутрь и переносится на выход вакуумного насоса 17, в то время как температура поверхностей солнечного коллектора остается близкой к температуре фазового перехода воды. Поскольку на выходе вакуумного насоса 17 имеет место повышенное давление, водяной пар в трубопроводе 16 переходит в жидкую фазу, интенсивно отдавая тепловую энергию через трубопровод 16 в теплообменник 12. В свою очередь теплообменник 12 отдает тепловую энергию в воду бака-аккумулятора 10, повышая температуру в первом гидроконтуре системы. В это же время в первом гидроконтуре системы происходит поглощение энергии солнечной радиации от крышки-экрана 3 и через светопрозрачную верхнюю торцевую панель 2 водой, которой заполнен контейнер 1. Циркуляционный насос 8 во включенном состоянии позволяет уравнивать температуру воды в контейнере 1 и тепловом аккумуляторе 10 первого гидроконтура как в процессе накопления, так и в процессе потребления тепловой энергии. Таким образом, в первом гидроконтуре системы обеспечено накопление тепловой энергии как путем ее поглощения от энергии солнечной радиации в воде контейнера 1, так и в тепловом баке-аккумуляторе 10 от теплообменника 12. Накопленная в первом гидроконтуре тепловая энергия может быть отдана в ночное время потребителю в окружающее пространство через поверхности солнечного коллектора 19, размещенного с доступом циркуляции на его поверхность воздуха из обогреваемого помещения.
По сравнению с прототипом в предложенной гидросистеме:
теплообменник и тепловой бак-аккумулятор конструктивно выполнены в единой конструкции, а солнечный коллектор выполняет дополнительную функцию обогрева потребителя в ночное время, что существенно снижает материалоемкость конструкции;
тонкий светопрозрачный и эластичный солнечный коллектор имеет малую инерционность и повышенную, двухстороннюю площадь взаимодействия его поверхностей с окружающим воздухом и потоком солнечной радиации, что существенно повышает его энергоотдачу и энергоэффективность;
система позволяет как повышать в ночное время, так и снижать днем температуру потребителя в месте размещения солнечного коллектора, что позволяет поддерживать благоприятную температуру потребителя как в холодную, так и в жаркую погоду при интенсивной солнечной радиации;
использование в гидроконтурах системы общедоступной и экологически безопасной пресной воды в качестве жидкого теплоносителя упрощает затраты на эксплуатацию и повышает безопасность обслуживания гидросистемы.