Автономный самоориентирующийся солнечный опреснитель-электрогенератор
AUTONOMOUS SELF-ORIENTING SOLAR DESALTER-ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к технике опреснения морских и соленых (минерализованных) вод и может быть использовано для получения опресненной воды и попутной генерации электрической энергии.
Известен автономный солнечный опреснитель, включающий прямоугольный корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, крыша которого покрыта сверху фотоэлементами, соединенными с накопительным блоком, внутри корпуса размещен наклонный испарительный лоток с бортиками, днище которого снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции, делящий полость корпуса на испарительную и конденсационную камеры, сообщающихся между собой у бортов корпуса через вертикальные щели, внутренняя поверхность конденсационной камеры покрыта решеткой из полос пористого материала, в верхнем торце лотка у правого торца корпуса расположен впускной коллектор, представляющий собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, соединенную трубопроводом с погружным питательным насосом, помещенным в водоеме с морской (минерализованной, соленой) водой, нижний торец лотка соединен с выпускной горизонтальной щелью, устроенной в левом торце корпуса, днище корпуса в центре соединено с емкостью для сбора конденсата, в которой помещен конденсатный насос, при этом большая часть корпуса, в которой расположена конденсационная камера, погружена в водоем, питательный и конденсатный насосы снабжаются электроэнергией из накопительного блока фотоэлементов, а уклон лотка направлен в сторону выпуска питательной воды с уклоном равным углу естественного откоса воды [Патент РФ №2567895, МПК C02F 1/14, 2015].
Основным недостатком известного автономного солнечного опреснителя является недостаточное использование низкопотенциальной энергии воды для генерации электрической энергии, что снижает его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является автономный солнечный опреснитель-электрогенератор, содержащий прямоугольный корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, крыша которого покрыта сверху фотоэлементами с накопительным блоком, внутри корпуса размещен наклонный испарительный лоток с бортиками, днище которого снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции, делящий полость корпуса на верхнюю испарительную камеру и нижнюю конденсационную камеру, сообщающихся между собой у бортов корпуса через вертикальные щели, в верхнем торце наклонного испарительного лотка у правого торца корпуса расположен впускной коллектор, представляющий собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной воды, соединенную трубопроводом с погружным питательным насосом, помещенным в водоеме с морской (минерализованной, соленой) водой, нижний торец наклонного испарительного лотка соединен с выпускной горизонтальной щелью, устроенной в левом торце корпуса, днище корпуса в центре соединено с емкостью для сбора конденсата, в которой помещен конденсатный насос, большая часть корпуса, в которой расположена конденсационная камера, погружена в водоем, уклон наклонного испарительного лотка направлен в сторону выпуска питательной воды с уклоном равным углу естественного откоса воды, причем внутренняя поверхность торцов, бортов и днища нижней конденсационной камеры выполнена с вертикальными и горизонтальными гофрами, внутри каждого гофра размещены вертикальные и горизонтальные пазы, в каждый из которых вставлен вертикальный или горизонтальный термоэлектрический преобразователь, выполненный из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов M1 и М2, образуя П-образные ряды, крайние проволочные отрезки каждой пары П-образных рядов термоэлектрических преобразователей, соединены между собой перемычками, на противоположном конце каждая пара П-образных рядов, соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы, первый и последний из которых и фотоэлементы соединены с выходными коллекторами, накопительным блоком, питательным и конденсатным насосами [Патент РФ №2622441, МПК C02F 1/14, 2017].
Основными недостатками известного автономного солнечного опреснителя-электрогенератора являются недостаточный нагрев и охлаждение фотоэлементов, невозможность самостоятельной ориентации положения крыши корпуса относительно солнца, обусловливающее уменьшение выработки электричества и недостаточное использование солнечной энергии для испарения воды, что снижает его надежность и эффективность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности автономного самоориентирующегося солнечного опреснителя-электрогенератора.
Техническая задача реализуется автономным самоориентирующимся солнечным опреснителем-электрогенератором, содержащим прямоугольный корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, наклонная крыша которого покрыт сверху фотоэлементами и снабжена, установленным у верхнего торца, накопительным блоком, внутри корпуса размещен наклонный испарительный лоток с бортиками, соединенный продольными перегородками, снабженными треугольными отверстиями, выполненными из теплопроводящего материала, днище корпуса снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции, делящий полость корпуса на верхнюю испарительную камеру и нижнюю конденсационную камеру, сообщающихся между собой у бортов корпуса через вертикальные щели, вверху наклонного испарительного лотка у правого торца корпуса расположен впускной коллектор, представляющий собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной воды, соединенную нагнетательным трубопроводом, снабженным поворотными патрубками с клапанами, расположенными горизонтально и параллельно правому торцу корпуса, с погружным питательным насосом, помещенным в водоеме с морской или минерализованной, или соленой водой, нижний торец наклонного испарительного лотка соединен с выпускной горизонтальной щелью, устроенной в левом торце корпуса, днище которого в центре соединено с емкостью для сбора конденсата, в которой помещен конденсатный насос, при этом большая часть корпуса, в которой расположена конденсационная камера, погружена в водоем, а уклоны наклонной крыши и наклонного испарительного лотка направлены в сторону выпуска питательной воды, внутренние поверхности торцов, бортов и днища нижней конденсационной камеры корпуса выполнены с вертикальными и горизонтальными гофрами, внутри каждого гофра размещены вертикальные и горизонтальные пазы, в каждый из которых вставлен вертикальный или горизонтальный термоэлектрический преобразователь, выполненный из диэлектрического теплопроводящего материала, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэлектрических элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов, спаянные на концах между собой параллельно друг другу, образуя П-образные ряды, крайние проволочные отрезки каждой пары П-образных рядов термоэлектрических преобразователей, соединены между собой перемычками, на противоположном конце каждая пара П-образных рядов, соединена параллельно с секционными коллекторами одноименных зарядов, которые совместно с фотоэлементами соединены с выходными коллекторами, накопительным блоком, насосами и другими потребителями.
Предлагаемый автономный самоориентирующийся солнечный опреснитель-электрогенератор (АСОСО) изображен на фиг. 1-7 (фиг. 1 - общий вид, фиг. 2-7 - основные узлы и их разрезы).
АСОСО содержит прямоугольный корпус 1, выполненный из теплопроводящего материала, наклонная крыша 2 которого покрыта сверху фотоэлементами 3 и снабжена, установленным у верхнего торца, накопительным блоком 4, внутри корпуса 1 размещен наклонный испарительный лоток 5 с бортиками 6, соединенный продольными перегородками 7, снабженными треугольными отверстиями 8, выполненными из теплопроводящего материала, днище корпуса 1 снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции 9, делящий полость корпуса 1 на верхнюю испарительную камеру 10 и нижнюю конденсационную камеру 11, сообщающихся между собой у бортов корпуса 1 через вертикальные щели 12, вверху наклонного испарительного лотка 5 у правого торца корпуса 1 расположен впускной коллектор 13, представляющий собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной воды, соединенную нагнетательным трубопроводом 14, снабженным поворотными патрубками 15 с клапанами 16, расположенными горизонтально и параллельно правому торцу корпуса 1, с погружным питательным насосом 17, помещенным в водоеме с морской или минерализованной, или соленой водой 18, нижний торец наклонного испарительного лотка 5 соединен с выпускной горизонтальной щелью 19, устроенной в левом торце корпуса 1, днище которого в центре соединено с емкостью для сбора конденсата 20, в которой помещен конденсатный насос 21, при этом большая часть корпуса 1, в которой расположена конденсационная камера 11, погружена в водоем 1, а уклоны наклонной крыши 2 и наклонного испарительного лотка 5 направлены в сторону выпуска питательной воды, внутренние поверхности торцов, бортов и днища нижней конденсационной камеры 11 корпуса 1 выполнены с вертикальными и горизонтальными гофрами 22, внутри каждого гофра 22 размещены вертикальные и горизонтальные пазы 23, в каждый из которых вставлен вертикальный или горизонтальный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) 24, выполненный из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэлектрических элементов (ТЭЭ) 25, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов, спаянные на концах между собой параллельно друг другу, образуя П-образные ряды 26, крайние проволочные отрезки каждой пары П-образных рядов 26 ТЭП 24, соединены между собой перемычками 27, на противоположном конце каждая пара П-образных рядов 26, соединена параллельно с секционными коллекторами одноименных зарядов 28 и 29, которые совместно с фотоэлементами 3 соединены с выходными коллекторами 30 и 31, накопительным блоком 4, насосами 17 и 21 и другими потребителями (соединительные электропровода и другие потребители на фиг. 1-7 не показаны).
В основу работы предлагаемого АСОСО положено свойство фотоэлементов 3 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [А.с. СССР №1603152, МПК F24J 2/32, 1990]. Компоновка АСО (сверху - фотоэлемент 3, снизу - крышка 2, соединенные между собой продольными перегородками 7, выполненными из материала с высокой теплопроводностью, позволяет одновременно производить съем тепла с фотоэлементов 3, увеличивая эффективность их работы, за счет быстрой передачи тепла теплопроводностью от фотоэлементов 3 к лотку 5, что способствует быстрому испарению морской воды и охлаждению фотоэлементов 3, образуя водяной пар, который нагревает при своей конденсации спаи ТЭЭ 25, генерируя термоэлектричество. Кроме того, снабжение нагнетательного трубопровода 14 поворотными патрубками 15 позволяет автоматически проводить ориентировку корпуса 1 относительно солнца, что увеличивает интенсивность использования солнечной энергии. При этом, изготовление контурной арматуры ТЭП 24 в виде П-образных рядов 26, состоящих из парных проволочных отрезков, выполненных из разных металлов, спаянных на концах между собой, то при нагреве внутренних спаев ТЭЭ 25 ТЭП 24 конденсирующимся паром и охлаждении противоположных им спаев снаружи, обращенных к холодной воде, на них устанавливаются разные температуры, в результате чего в П-образных рядах 26 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506]. При этом, П-образное расположение ТЭЭ 25 в рядах 26 ТЭП 24 позволяет значительно увеличить их удельное количество, приходящееся на единицу поверхности конденсационной камеры 11, что также интенсифицирует процесс теплообмена между противоположными спаями ТЭЭ 25. Кроме того, параллельное соединение ТЭП 24 вертикальных и горизонтальных П-образных рядов 26 между собой и с выходными коллекторами 30, 31 снижает электрическое сопротивление цепи всех ТЭП и повышает надежность их работы при выходе из строя отдельных ТЭЭ.
п
1
2
1
2
АСОСО работает следующим образом. Корпус 1 погружают в водоем с морской или минерализованной, или соленой водой 18 таким образом, чтобы большая часть конденсационной камеры 10 корпуса 1 была погружена в водоем 18, выпускная горизонтальная щель 19 находилась над уровнем воды в водоеме 18, а наклон крышки 2 был направлен в сторону максимального приема солнечных лучей в данное время, что одновременно обеспечивает быстрый сток, попадающей на крышу 2 дождевой и забортной воды. Такое положение корпуса 1 обеспечивается или соотношением между его весом и центром тяжести, или установкой его на якоря. Далее к впускному коллектору 13 через трубопровод 14 присоединяют погружной питательный насос 17 (узлы крепления насоса 17 к корпусу 1 на фиг. 1-7 не показаны), глубину погружения которого Н выбирают из условий отсутствия в воде механических загрязнений и включают его в работу. При этом, поворотные патрубки 15 должны быть погружены в водоем 18 и находиться горизонтально и параллельно правому торцу корпуса 1 (в течении светового дня в зависимости от положения солнца открывается один из клапанов 16 и под действием реактивной силы струи воды, вытекающей из соответствующего патрубка 16 при работе насоса 17, корпус 1 поворачивается, принимая оптимальное положение относительно солнца). При падении солнечных лучей на поверхность фотоэлементов 3 в них осуществляется преобразование воспринятой солнечной энергии в электрическую и тепловую энергии. Устойчивая и эффективная работы фотоэлементов 3 обеспечивается непрерывным отводом тепла от них, который осуществляется тем, что, полученная в фотоэлементах 3 в результате трансформации солнечной энергии, тепловая энергия непрерывно отводится через стенку крыши 2 и продольные перегородки 7, соединенные с ней и лотком 5, выполненными из теплопроводящего материала, в испарительную камеру 10 за счет теплопроводности, обеспечивая интенсивное охлаждение фотоэлементов 3 и нагрев лотка 5. В испарительной камере 10 поступившее тепло от фотоэлементов 3 расходуется на нагрев минерализованной питательной воды, движущейся по наклонному испарительному лотку 5 в сторону его нижнего торца самотеком за счет его уклона. Последняя подается в наклонный испарительный лоток 5 питательным насосом 17 через впускной коллектор 13, представляющим собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной нагреваемой воды, что обеспечивает ее равномерное распределение по ширине полотна каналов между продольными перегородками 7 наклонного испарительного лотка 5. В процессе нагрева минерализованной воды, которая нагревается до температуры большей, чем температура воды в водоеме 18, часть ее испаряется (при этом, треугольные отверстия 8 в продольных перегородках 7 обеспечивают свободное перемещение образовавшегося водяного пара к вертикальным щелям 12), а неиспарившаяся часть самотеком перемещается по полотну до нижнего торца наклонного испарительного лотка 5 и через горизонтальную выпускную щель 19 сливается в водоем 18. Полученный в процессе нагрева питательной воды насыщенный водяной пар, через вертикальные щели 12 поступает в нижнюю конденсационную камеру 11 и конденсируется там, в результате чего при выходе на стационарный режим работы опреснителя, давление в конденсационной камере 11 всегда меньше, чем в испарительной камере 10. Конденсация водяного пара, полученного в испарительной камере 10, в конденсационной камере 11 осуществляется в результате процесса теплопередачи от пара через стенки поверхности торцов, бортов и днища нижней конденсационной камеры 11, выполненные с вертикальными и горизонтальными гофрами 22, внутри которых размещены вертикальные и горизонтальные пазы 23, в которые вставлены ТЭП 24, с массивом более холодной воды в водоеме 18, причем полученный насыщенный пар с температурой t контактирует при этом с внутренней поверхностью ТЭП 24, нагревая внутренние спаи ТЭЭ 25 до температуры t. Одновременно, поверхность ТЭП 24, обращенная к воде, охлаждается в результате контакта гофра 22 с водой. При этом, тепло, выделяющееся в результате работы фотоэлементов 3 от солнечных лучей, в конечном итоге, тратится на нагрев внутренних спаев ТЭЭ 25, а холод, поступающий от воды охлаждает наружные спаи этих же ТЭЭ 25 до температуры t, в результате чего на противоположных спаях ТЭЭ 25 возникает разность температур (t-t), а в П-образных рядах 26 появляется термоэлектричество, которое подается в секционные коллекторы 28 и 29. Полученное под воздействием солнечных лучей электрическая энергия из фотоэлементов 3 и термоэлектричество из ТЭП 24 через коллекторы 30 и 31, поступает в накопительный блок 4, где осуществляется трансформация напряжения, силы тока и накопление электрической энергии, часть которой расходуется на привод насосов 17 и 21, а другая часть направляется другим потребителям (другие потребители на фиг. 1-7 не показаны).
Полученный конденсат самотеком за счет сил тяжести движется со всех сторон конденсационной камеры 11 по каналам, образованным рядами ТЭП 24 и стекает в емкость для сбора конденсата 20, расположенную в центре днища камеры 11, стекает туда за счет силы тяжести, накапливается там и насосом 21 подается потребителю.
1
2
3
Высота бортиков Δ наклонного испарительного лотка 5, ширина вертикальных щелей 12 Δ выбираются из условия недопущения перелива питательной воды и свободного прохода пара при максимальной нагрузке опреснителя. Ширина горизонтальной выпускной щели 19 Δ должна обеспечивать свободный слив нагретой питательной воды в водоем 18, но в тоже время ее сопротивление по воздуху должно быть значительно больше, чем сопротивление вертикальных щелей 12 по водяному пару, что проверяется аэродинамическим и гидравлическим расчетами. Длина наклонного испарительного лотка 5 выбирается из условия минимального отложения солей на его поверхности, ширина принимается, исходя из условий обеспечения равномерного распределения питательной воды на поверхности по его ширине и длине. Производительность предлагаемого солнечного опреснителя можно увеличить путем размещения параллельно нескольких наклонных испарительных лотков 5 в одном корпусе 1.
Количество фотоэлементов 3, размеры корпуса 1 и крышки 2, глубина погружения конденсационной камеры 11 в воду, размеры и шаг между гофрами 22, их длину определяют в зависимости от наружных условий места установки (температуры наружного воздуха, температуры воды, солнечного освещения) и требуемой мощности. Величина разности электрического потенциала на коллекторах 30 и 31, сила электрического тока зависит от характеристик фотоэлементов 3, продолжительности и интенсивности солнечного облучения, характеристик пар металлов из которых изготовлены ТЭЭ 25 в ТЭП 24, их числа в камере 11, а также разности температур на противоположных спаях ТЭЭ 25. Полученный электрический ток, помимо обеспечения работы насосов 17 и 21, можно использовать для обслуживания различных технических устройств, а также обогрева и освещения жилых и производственных помещений на берегу водоема. Таким образом, конструкция предлагаемого АСОСО позволяет одновременно проводить масштабный процесс опреснения морской или минерализованной, или соленой воды непосредственно в самом водоеме, транспортировку ее потребителю и генерировать электричество за счет использования солнечной энергии и низкопотенциальной энергии воды, что повышает его надежность и эффективность.