ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ С ФУНКЦИЕЙ ВОДООБМЕНА
SOLAR POWER STRUCTURE WITH WATER EXCHANGE FUNCTION

Изобретение относится к тепло- и гелиотехнике, а именно к ресурсосберегающим и энергосберегающим устройствам, основанным на солнечной энергии и обеспечивающим микроклимат в различных сооружениях, использующих водоемы или находящихся вблизи их. В частности, в комплексных теплицах, имеющих в качестве основного или сопутствующего направлений рыбоводство или какую-либо другую аквакультуру, а также крытых бассейнах и спорткомплексах с бассейнами и другими водоемами.
Известны изобретения, относящиеся к гелиотехнике и предназначенные для аккумулирования солнечной тепловой энергии с целью последующего использования. Из них к близким аналогам можно отнести заявку Российской Федерации №2002103695, 15.02.2002, «Ресурсосберегающая теплица, способ ее обогрева и использования». В этом техническом решении впервые предложен теплообменник в виде шатра теплицы, имеющей двойное покрытие, при этом конструкция покрытия шатра обеспечивает возможность перемещения воды и воздуха в пространстве между покрытиями, в нем также используется теплоаккумулятор, в котором создается и поддерживается температурный градиент воды передачей тепловой энергии, переносимой водой и воздухом в зависимости от температуры в определенные области объема теплоаккумулятора. Близкими аналогами являются заявка РФ №2005128163, 12.09.2005 «Ресурсосберегающий микроклимат, способ и устройство», а также и заявка РФ №2008141672, 20.10.2008 «Ресурсосберегающий микроклимат в строениях». Эти аналоги с предлагаемым техническим решением объединяет следующий общий энергосберегающий признак. Накопление солнечной тепловой энергии в теплоаккумуляторах происходит за счет энергии, затрачиваемой на охлаждение воздуха в сооружении, то есть без дополнительных затрат энергии. В пределах этого признака и его реализации последняя заявка может рассматриваться как прототип. В предлагаемой заявке этот энергосберегающий признак дополнен новыми основанными на ресурсо- и энергосбережении, связанном с водоемом, как непосредственно, так дополнительными сооружениями. Например, водообмен и аэрация близлежащего водоема обеспечивается за счет энергии, затрачиваемой на поддержание микроклимата в сооружении, и может рассматриваться как энергосберегающий способ ее полезной утилизации, повышающий эффективность. Поэтому по совокупности отличительных признаков и направленности технического решения ни один из вышеперечисленных близких аналогов прототипом являться не может. Относительно области техники, относящейся к водообмену и аэрации, близких аналогов нет. Известны плавучие устройства с использованием энергии ветра: например патент №224749, заявка №2003116301, 03.06.2003 «Устройство для снабжения рыб воздухом в водоемах покрытых льдом», - это зависимое от ветра устройство имеет узкую направленность только на аэрацию. Эти решения не рассчитаны на стабильную круглогодичную работу, имеют узкую направленность только на аэрацию и не решают комплексных задач:
стабильного круглогодичного водообмена, повышения эффективности гелиоэнергетических сооружений и обеспечения в них микроклимата, поэтому к близким аналогам отнесены быть не могут. Цель изобретения - экономичное решение задачи водообмена посредством гелиоэнергетического сооружения, основанного на ресурсо- и энергосберегающих технологиях, повышение эффективности гелиоэнергетического сооружения, связанного с использованием водоемов, а также расширение областей применения водоемов вблизи таких сооружений и водонаполненных теплоаккумуляторов внутри них.
Сущность изобретения:
гелиоэнергетическое сооружение с функцией водообмена, наземная часть которого состоит из солнечно-теплового теплообменника в форме двойной крыши, состоящей из двух частично или полностью прозрачных покрытий, смесительного и поверхностного теплообменников, теплоаккумулятора, эффективность которого повышена за счет конструкции приемного и заборного температурных распределителей. Наземная часть сооружения соединена приточной и отводной трубами с прудом или бассейном, с которым происходит водообмен посредством смесительного и солнечно-теплового теплообменников, в которых в процессе их функционирования в качестве теплообменников происходит аэрация воды. Наземная часть гелиоэнергетического сооружения связана с плавучей наводной частью, включающей: выравнивающие емкости с экономичным выравнивающим распределителем, посредством которого обеспечивается выравнивание плавучей части сооружения по уровню, плавающие солнечные коллекторы, а также коллекторы, конструктивно совмещенные с солнечными батареям, с экономичными приводами их ориентации на солнце. За счет этих конструктивных решений повышается эффективность и КПД работы солнечных батарей.
Гелиоэнергетическое сооружение с функцией водообмена, его наземная часть, имеет двойную крышу, предпочтительно состоящею из двух частично или полностью прозрачных покрытий. Покрытия разделены пространством с возможностью, обусловленной конструкцией крыши, одновременного встречного движения воды, разбрызгиваемой в этом пространстве и стекающей сверху вниз, и воздуха, поднимающегося снизу вверх, в том же пространстве между покрытиями. Наружная и внутренняя стены фасада сооружения с двойными стенами также разделены пространством, в конструкции сооружения пространство между покрытиями крыши объединено с пространством между стенами  фасада. Оно сообщается с внутренним пространством строения через вентиляционные окна в верхнем и нижнем уровнях внутреннего покрытия и во внутренних стенах фасада. В пространстве между покрытиями располагается солнечно-тепловой теплообменник, состоящий: из трубы с форсунками для распыления воды по верхней части внутреннего покрытия ниже уровня верхних вентиляционных окон, водосборного желоба, примыкающего к карнизу внутреннего покрытия, или карниза внутреннего покрытия, выполненного в форме желоба, который расположен выше уровня нижних вентиляционных окон, отводных труб для отвода воды. Вода под действием собственной тяжести стекает вначале по каркасу внутреннего покрытия и по внутреннему покрытию, а затем через поверхностный теплообменник в водоем или через распределитель в теплоаккумулятор.
Через вентиляционные окна, сообщающающиеся с пространством между покрытиями, работает вентиляционная система, которая может функционировать как за счет естественной, так и принудительной тяги. Солнечно-тепловой теплообменник совмещает качества теплообменника и солнечного коллектора, в нем функция охлаждения воздуха в сооружении холодной водой совмещена с функцией сбора и переноса солнечной тепловой энергии в водонаполненный теплоаккумулятор. Технологичный вариант такого сооружения, имеющего двускатную двойную крышу, пространство между покрытиями которой объединено с пространством между двойными стенами фасада, - это выполнение части внешнего покрытия крыши над цокольным пространством между низкими двойными стенами в форме открывающихся прозрачных рам, закрепленных на петлях или в направляющих и создающих доступ к пространству между стенами или покрытиями цокольной части сооружения, где расположены поверхностный и смесительный теплообменники.
Смесительный теплообменник, располагающийся в пространстве между покрытиями крыши или стенами фасада в цокольной области сооружения, представляет собой горизонтально протяженный вдоль одной или нескольких сторон сооружения воздуховод с гидроизолированным поддоном, соединенным с отводными трубами для отвода воды из поддона в поверхностный теплообменник и(или) водоем. Внутри воздуховода над поддоном расположена труба с форсунками для распыления или (и) дождевания воды, подаваемой насосом через заборный температурный распределитель воды из соответствующей температурным требованиям приточного воздуха изотемпературной области теплоаккумулятора. Корпус воздуховода имеет окна или ответвления, сообщается с вентиляционными окнами внутренней области сооружения с одной стороны и воздуховодами приточной вентиляции и (или) пространством между покрытиями с другой. Наружный кожух смесительного теплообменника может быть выполнен из прозрачного материала или имеет частично прозрачную поверхность. Он имеет форму округлой трубы и может иметь в поперечном сечении следующею фигуру: круглую, четырехугольную, треугольную, овальную или сочетание этих фигур. Смесительный теплообменник разделен, по меньшей мере, одной продольной горизонтальной и (или) наклонной поверхностью, проницаемой для воды и воздуха, например сетчатой, по меньшей мере, на две части: в самой верхней части расположена труба с форсунками, а по бокам в двух уровнях, над разделяющей поверхностью и под ней, расположены закрываемые окна для возможности прохождения воздуха, участвующего в теплообмене, по меньшей мере, через две части теплообменника. По бокам корпуса смесительного теплообменника в окнах приточной вентиляции могут быть установлены вентиляторы с возможностью реверса, а в окнах выходной вентиляции могут быть установлены задвижки с фильтрами разной плотности, автоматически перекрываемые частично или полностью от привода, управляемого процессором. Процесс теплообмена с воздухом в солнечно-тепловом или смесительном теплообменнике совмещен с аэрацией воды. После солнечно-теплового или смесительного теплообменника аэрированная вода может отводиться в тот же водоем, из которого забиралась, или в дугой, непосредственно или через поверхностный теплообменник, состоящий из наружного желоба, вдоль которого во внутренней его области расположена труба или другой желоб меньшего диаметра, в этом теплообменнике возможен теплообмен через теплопроводный материал трубы или желоба, разделяющий отводимую воду от приточной. Поверхностный теплообменник также расположен в цокольной части сооружения, в пространстве между покрытиями или стенами, наружное из которых частично или полностью прозрачно. Он включает: фильтрующие и обеззараживающее устройства, наружный желоб с цилиндрической отражающей поверхностью, по которому из солнечно-теплового или смесительного теплообменника отводится аэрированная вода, находящаяся в тепловом контакте с подводящей воду нагреваемой солнцем зачерненной приточной трубой, расположенной внутри желоба вдоль его фокальной оси. Желоб соединен с отводящей трубой и трубами, ведущими от смесительного теплообменника и(или) солнечно-теплового теплообменника. Возможен другой вариант выполнения поверхностного теплообменника. Он расположен по периметру сооружения и включает закрытый сверху прозрачным колпаком нагреваемый солнцем зачерненный наружный желоб, по которому из водоема поступает или подается вода, находящаяся в тепловом контакте с трубой, отводящей аэрированную воду после смесительного или солнечно-теплового теплообмена, которая расположена внутри желоба вдоль его длины, один конец этой трубы соединен с трубами, ведущими от смесительного теплообменника и(или) солнечно-теплового теплообменника, а другой с водоемом.
Водонаполненный теплоаккумулятор представляет собой заглубленную в грунт емкость, имеющую разделение на сообщающиеся через конвекционные каналы изотемпературные области, образуемые конструктивной формой теплоаккумулятора или посредством теплоизолирующих экранов, с возможностью поддерживания в нем на границах изотемпературных областей температурного градиента воды, передачей тепловой энергии, переносимой водой и(или) воздухом, в зависимости от температуры в соответствующие изотемпературные области теплоаккумулятора, верхние изотемпературные области теплоаккумилятора теплоизолированы тепловыми экранами, а нижние области расположены на более глубоких уровнях под землей с возможностью хорошего теплового контакта с основным грунтом.
Такой теплоаккумулятор может быть выполнен из соединенных друг с другом модулей, состоящих из трубных крестовин, каждая из которых образована как пересечение трех труб, расположенных по координатным осям: x, y, z, то есть на шесть соединений, и соединена с шестью соседними. Кроме трубных крестовин, расположенных на наружных граничных поверхностях теплоаккумулятора, которые состоят из пяти трубных соединений, или шестые соединения соединены между собой горизонтальными трубами или патрубками. При этом трубы, расположенные по осям x, y, лежащие в горизонтальных плоскостях, образуют изотемпературные области теплоаккумулятора, в них расположены трубы с теплоемким веществом, а трубы по вертикальным осям z имеют с одной из сторон на глубину соединения посадкой внутренний диаметр трубы, равный наружному с противоположной стороны модуля, и(или) фиксирующие выступы для фиксации теплоизолирующих экранов с конвекционными каналами, которые установлены внутри них. Такой теплоаккумУлятор может быть размещен в гидроизолированном подвале под сооружением. Нижняя часть подвала, на уровне одной или двух нижних изотемпературных зон, заполнена водой, в которой находятся трубы нижних изотемпературных областей теплоаккумулятора. Они расходятся по спирали или зигзагообразно от центрального теплоаккумулятора, занимая большую площадь дна подвала. Между витками спирали или зигзагами труб нижних областей теплоаккумулятора из теплоемкого камня выложены разделяющие теплоизолирующие перегородки, возвышающиеся над стабильно регулируемым уровнем воды в подвале. Разделяющие перегородки выполняют функцию опор для теплоизолированного пола, под которым между полом и водой разделяющими перегородками образован лабиринт каналов, который является воздуховодом и теплообменником для воздуха. Подвал центрального теплоаккумулятора связан трубами, оборудованными клапанами, управляемыми поплавками или электромагнитами, с нижними изотемпературными областями наружной части теплоаккумулятора. Наружная часть теплоаккумулятора выполнена как ров со ступенчатыми по форме стенами, он расположен по периметру под цокольной областью пространства между покрытиями, по меньшей мере, с одной из сторон сооружения, ступени или уступы являются опорой для теплоизолирующих экранов, образующих разделение наружной части теплоаккумулятора на изотемпературные области.
Вода из нижних областей наружной части теплоаккумулятора поступает в подвал в количестве, равном забираемому из подвала для теплообмена; а верхние теплые изотемпературные области наружной части теплоаккумулятора связаны трубами через заборный температурный распределитель или верхняя изотемпературная область связана непосредственно с приемным температурным распределителем центрального теплоаккумулятора.
Приемный или заборный температурный распределитель для воды представляет собой два полых цилиндра, соосно расположенных один в другом с минимальным зазором и связанных осью через опору вращения, соосную центральной оси вращения, с возможностью поворота внутреннего цилиндра относительно наружного вокруг той же оси вращения, управляемым от датчика температуры, поворотным средством, с которым внутренний цилиндр соединен валом или осью. В цилиндрах выполнены сквозные отверстия, площадь каждого из которых, по меньшей мере, в черыре раза меньше площади поперечного сечения внутренней полости распределителя плоскостью перпендикулярной оси вращения. При этом центр каждого отверстия во внутреннем цилиндре лежит в одной плоскости поперечного сечения с центром совмещаемого с ним отверстия в наружном цилиндре. Параметром дискретности распределения является угол совмещения, то есть угол относительно оси вращения, на который должен быть повернут внутренний цилиндр для синхронного совмещения: по меньшей мере одного отверстия внутреннего цилиндра с совмещаемым с ним, по меньшей мере, одним отверстием наружного цилиндра, связанным или соединенным с конкретной изотемпературной областью теплоаккумулятора, и другого отверстия внутреннего цилиндра с совмещаемым с ним другим отверстием наружного цилиндра, соединенным заборно-подающей трубой со смесительным теплообменником или насосом. Этот угол отличается от аналогичного угла для совмещаемых отверстий, относящихся к любой другой изотемпературной области теплоаккумулятора, по меньшей мере, на диаметр отверстия, выраженный в дуговых градусах, отсчитываемых по дуге граничной окружности, образованной в поперечном сечении распределителя между наружным и внутренним цилиндрами плоскостью перпендикулярной оси вращения. Угол совмещения функционально связан с показаниями датчика температуры, управляемого поворотным средством.
Приемный и заборный температурные распределители могут быть расположены внутри теплоаккумулятора. Тогда высота распределителя должна быть соизмерима с суммарной высотой изотемпературных областей теплоаккумулятора. Распределитель, как и его центральная ось, расположен вертикально и установлен в теплоаккумуляторе через соответствующие его наружному диаметру отверстия в теплоизолирующих экранах. При этом выходные отверстия распределителя соответствующие определенным температурным значениям распределяемой воды расположены в соответствующих им по температуре изотемпературных областях теплоаккумулятора.
Заборно-подающая труба распределителя может подводиться не через окно в боковой поверхности цилиндра, а со стороны одного из оснований внутреннего цилиндра, которое имеет окна и по отношению к основанию наружного цилиндра достаточный зазор, чтобы подведенная к нему труба соединяющая распределитель с насосом или теплообменником не препятствовала его повороту на максимальный для данной конструкции распределителя угол. Вместо внутреннего цилиндра внутри может быть расположена труба, связанная с поворотным валом и опорой вращения крепежом ажурной формы или состоящим из отдельных элементов, не препятствующим проникновению внутрь распределителя воды. По внешнему периметру наружной части теплоаккумулятора расположен тепловой экран с хорошей отражающей поверхностью, он, как и тепловые экраны теплоизолирующие верхние изотемпературные области наружной и центральной частей теплоаккумилятора, и состоит из двойного листа, например металлической фольги, каждый из которых имеет хорошую отражающую поверхность, в небольшом зазоре между листами, заполненным пористым материалом, создано разряжение или вакуум, сохраняемый за счет свойств материала пористого наполнителя и связующей листы сетчатой арматуры, образующей ячеистую структуру с герметичными ячейками. Гелиоэнергетическое сооружение располагается вдоль гребня плотины пруда при этом прочная основа теплоаккумулятора и подвала для него выполняет функцию экрана и ядра плотины.
Отводная труба проложена по дну и под плотиной нижнего по уровню пруда каскада, состоящего, по меньшей мере, из трех смежных прудов, чем достигается возможность аэрации как нижерасположенного пруда так и следующего за ним пруда каскада.
При этом вода, предназначенная для аэрации более удаленного пруда каскада прудов, минует смежный нижерасположенный пруд по трубе, проложенной по дну этого пруда.
Наводная часть гелиоэнергетического сооружения, связанная с наземной частью сооружения отводящей и приточной трубами, может быть расположена на сваях. В этом варианте выполнения она включает в себя центральный водоспуск водоема и имеет с внутренней стороны теплообменный лоток или желоб, уровень воды в котором ниже уровня воды водоема, он соединен трубой с самой глубоководной областью водоема, а также с трубами: приточной с наземной частью сооружения с одной стороны, и водосбросной с центральным водоспуском с другой. Гелиоэнергетическое сооружение может быть соединено приточными и отводными трубами и(или) желобом с прудом или водоемом, размещенным снаружи него через его наводную часть - плавучее тепличное сооружение, основание которого состоит из понтонов и(или), по меньшей мере, из трех емкостей или бассейнов из водонепроницаемого материала, уровень заполнения их водой обеспечивает плавучесть наводной части, а их расположение позволяет распределением воды в них посредством выравнивающего распределителя выравнивать наводную часть сооружения по уровню.
Выравнивающий распределитель для воды представляет собой два полых цилиндра, соосно расположенных один в другом с минимальным зазором и связанных осью через опору вращения, соосную центральной оси вращения, с возможностью поворота внутреннего цилиндра относительно наружного вокруг этой оси вращения, управляемым от датчика уровня, поворотным средством, с которым внутренний цилиндр соединен валом или осью, соосной центральной оси вращения. В цилиндрах выполнены сквозные отверстия, площадь каждого из которых по меньшей мере в четыре раза меньше площади поперечного сечения внутренней полости распределителя плоскостью, перпендикулярной оси вращения, при этом центр отверстия во внутреннем цилиндре лежит в одной плоскости поперечного сечения с центром совмещаемого с ним отверстия в наружном цилиндре. Параметром дискретности распределения является угол совмещения, то есть угол относительно оси вращения, на который должен быть повернут внутренний цилиндр для синхронного совмещения: одного отверстия внутреннего цилиндра с совмещаемым с ним отверстием наружного цилиндра, соединенного трубой с конкретной емкостью, и другого отверстия внутреннего цилиндра с совмещаемым с ним другим отверстием наружного цилиндра, соединенным трубой с насосом. Он отличается от аналогичного угла для совмещаемых отверстий, относящихся к любой другой емкости, по меньшей мере, на диаметр отверстия, выраженный в дуговых градусах, отсчитываемых по дуге граничной окружности, образованной в поперечном сечении распределителя между наружным и внутренним цилиндрами плоскостью, перпендикулярной оси вращения. Этот угол функционально связан с показаниями датчика уровня, управляемого поворотным средством. Плавучая наводная часть сооружения связана с наземной частью электрокабелем. Для фиксации плавучая наводная часть сооружения может меть одну сваю с шарнирно-скользящей опорой, расположенную в центральной части, которая являющейся осью поворотной опоры для мостика на понтонах, связывающего наводную часть сооружения с наземной, или ось поворотной опоры мостика о наводную часть плавучей теплицы зафиксирована натяжением двух тросов, связывающих ее или часть мостика вблизи ее с берегом и образующих треугольник с поворотной опорой мостика, как вершиной, и мостиком в качестве высоты. Края наводной части и ее ориентация фиксируется натяжением тросов, связывающих края наводной части сооружения с двумя катушками изменения ориентации с приводами, которые расположены на берегу по разные стороны от мостика. Силы натяжения тросов и реакции опор образуют уравновешенную систему сил и моментов относительно центральной поворотной опоры. При этом относительная длина тросов, фиксирующих левый и правый края наводной части, может изменяться, меняя ориентацию наводной части. Более экономичный вариант с одним приводом, изменяющим ориентацию наводной части сооружения. Трос или канат, фиксирующий ориентацию наводной части сооружения, закреплен в двух точках на берегу, расположенных по разные стороны от мостика, пропущен через блоки, краевые из которых расположены на удаленных точках противоположных сторон наводной части, и обернут петлей вокруг катушки изменения ориентации, расположенной на наводной части сооружения и связанной с управляемым датчиком приводом.
Плавающие солнечные коллекторы могут быть расположены как внутри, так и снаружи наводной части сооружения. Наводная часть сооружения может сама функционировать по принципу плавающего солнечного коллектора. Она связана с основным строением мостиком через поворотную опору или опору вращения, наземная сторона мостика закреплена на сваях или свае посредством скользящей или шарнирно-скользящей опор, а также связана отводящей и приточной трубами с гибкими, например гофрированными, вставками с запасом по длине, определяемым максимальным колебанием уровня воды в водоеме.
Солнечный коллектор, конструктивно совмещенный с солнечными батареями, представляет собой заполненную водой извилистую теплопроводящую трубку или змеевик, расположенный на теплопоглощающей плате, на обращенной к солнцу стороне которой размещены солнечные батареи. Он имеет с теплопоглощающей платой хороший тепловой контакт, нижняя часть змеевика погружена в воду водоема, а верхняя подсоединена к теплоизолированному шлангу, подключенному к водозаборному насосу или заведенному в желоб, из которого производится забор воды, обеспечивая ее более низкий уровень по сравнению с уровнем воды водоема, куда погружена нижняя часть змеевика. Одна из сторон платы закреплена на петлях в плавучей раме, а другая имеет возможность подъема посредством тросов, закрепленных по дальней стороне периметра, по отношению к петлям, и заведенных через блоки, расположенные на балке, объединяющей конструкции в форме двух ажурных треугольников или полукругов, расположенных по краям рамы. Ажурная конструкция является опорой для прозрачного кроющего материала. Эти блоки могут быть расположены на балке в коньковой области наводной части сооружения, при расположении солнечных коллекторов внутри нее. Противоположные концы тросов закреплены на катушках или барабанах, размещенных на оси управляемого от датчика тягового привода с механизмом фиксации, посредством которого возможен подъем одной из сторон коллекторной платы и ориентации ее перпендикулярно солнечным лучам.
Предлагается вариант наводной части сооружения, который в сечении поперечной плоскостью образует полукруг. Этот вариант включает плавающие солнечные коллекторы или совмещенные с солнечными батареями солнечные коллекторы, которые собраны в рамы, закрепленные посредством петель на продольной оси, расположен в центральной области наводной части сооружения. Вблизи продольной оси расположена продольная составляющая сети мостиков обслуживания, по дальней стороне периметра и углам рам закреплены тросы или канаты, заведенные через блоки, расположенные в коньковой части наводного сооружения, противоположные концы тросов закреплены на катушках, размещенных на оси управляемого тягового привода с механизмом фиксации. Посредством тягового привода одна из сторон коллекторной рамы может быть поднята на любой угол до вертикального положения. На фиг. 1 представлен поперечный разрез наземной части гелиоэнергетического сооружения, которое располагается вдоль гребня плотины пруда, при этом прочная основа выполняет функцию экрана и ядра плотины.
На фиг. 1 обозначены: теплоаккумулятор 1, наружние и внутренние температурные распределители 2, приточная труба 3 и отводная труба 4, смесительный теплообменник 5, подающая воду труба с форсунками смесительного теплообменника 6, сетчатая перегородка смесительного теплообменника 7, поверхностный теплообменник 8, наружный желоб поверхностного теплообменника 9, подающие воду трубы с форсунками солнечно-теплового теплообменника 10, водосборный желоб солнечно-теплового теплообменника 11, воздуховоды 12, наружная часть теплоаккумулятора 13, открывающиеся прозрачные рамы цокольного пространства 14, тепловой экран наружной части теплоаккумулятора 15, теплоизолирующий экран наружной части теплоаккумулятора 16, теплоизолированный пол 17, лабиринт теплоизолирующих перегородок 18, наружное покрытие 19, внутреннее покрытие 20, вентиляционные окна смесительного теплообменника 21, вентиляционные окна солнечно-теплового теплообменника 22, заборно-подающая труба температурных распределителей 23
Устройство и принцип работы температурного и выравнивающего распределителей поясняют Фиг 2 и Фиг. 3, на них обозначены: заборно-подающая труба 23, наружный цилиндр 24, внутренний цилиндр 25, опора вращения, соосная центральной оси вращения 26, вал или ось, соединяемая с поворотным средством 27, отверстия 28, окна основания внутреннего цилиндра 29. Принцип работы распределителей ясен из поперечного разреза и сечения плоскостями, проходящими через центры окон представленного на Фиг. 2 температурного распределителя, и поперечных сечений плоскостями, проходящими через центры окон представленного на Фиг. 3 выравнивающего распределителя.
Плавучая наводная часть сооружения представлена на Фиг. 4, она связана с наземной частью электрокабелем, а также приточной трубой 3 и отводящей трубой 4. На фронтальном разрезе поперечной плоскостью: выравнивающие емкости 30, поворотная опора мостика 31, мостик 32, свая с шарнирно-скользящей опорой 33, понтоны 34, солнечный коллектор, конструктивно совмещенный с солнечными батареями 35, тяговый привод подъема рам 36 с солнечными коллекторами, конструктивно совмещенный с солнечными батареями.
На виде сверху: трос фиксации ориентации наводной части сооружения 37, краевой блок 38, катушка изменения ориентации с приводом 39, трос фиксации поворотной опоры мостика 40. На Фиг. 5 представлен модуль теплоаккумулятора, состоящий из трубной крестовины на шесть направлений.
Работа гелиоэнергетического сооружения с функцией водообмена по лучшему варианту осуществления.
Учитывая основное направление использования для рыбоводства и других направлений культивирования водных культур, все варианты частей гелиоэнергетического сооружения с функцией водообмена, в частности его наводных частей, могут содержать внутри них бассейны или водоемы, то есть объемные емкости с водой, средняя глубина воды в которых меньше их длины и ширины. Для плавучей наводной части сооружения (Фиг. 4), связанной с наземной частью сооружения мостиком 32, такие внутренние емкости 30, которые составляют ее основание, просто необходимы, так как вместе с выравнивающим распределителем (Фиг. 3) служат для выравнивания плавучей наводной части сооружения по уровню. В сооружение включены плавающие солнечные коллекторы и солнечные коллекторы, конструктивно совмещенные с солнечными батареями 35, расположенные как во внутренних бассейнах плавучей наводной части сооружения, так и снаружи. Однако, в зимнее время, в условиях средних и северных широт, работа названных выше видов солнечных коллекторов, расположенных снаружи, не возможна; поэтому предпочтителен вариант сооружения с внутренними водоемами или бассейнами, размещенными под прозрачной крышей тепличных сооружений. Эти бассейны могут применяться для размещения в них плавающих солнечных коллекторов и солнечных коллекторов, конструктивно совмещенных с солнечными батареями, расположенных летом снаружи, на зимний период времени. Предпочтителен следующий такой вариант с размещением водоема или бассейна, водоемов или бассейнов внутри сооружения; он включает, кроме наземной части и плавучей наводной части, также наводную часть, расположенную на сваях, которая включает в себя центральный водоспуск водоема и имеет с внутренней стороны теплообменный лоток или желоб, уровень воды в котором ниже уровня воды водоема, он соединен трубой с самой глубоководной областью водоема, а также с трубами: приточной с наземной частью сооружения с одной стороны и водосбросной с центральным водоспуском с другой. В зимний период, когда плавающие солнечные коллекторы не работают, вода из водоема поступает в теплообменный лоток или желоб, а из желоба по приточной трубе подается в поверхностный теплообменник наземной части сооружения. Бассейны и водоемы, расположенные в наводной части на сваях, являются наружными по отношению к наземной части сооружения, но расположение наземной части сооружения (фиг. 1) вдоль гребня плотины пруда, в котором она располагается вблизи наводной части, расположенной на сваях, позволяет объединить эти части сооружения в одном тепличном строении. В этом случае бассейны и водоемы в наводной части на сваях, то есть наружные по отношению к наземной части сооружения, становятся внутренними бассейнами или водоемами. Такое гелиоэнергетическое сооружение, состоящие из двух тепличных строений: плавучей наводной части и объединенных в одном тепличном строении наземной части и наводной части на сваях, идентично по эффективности гелиоэнергетическому сооружению, состоящему из трех отдельных строений: плавучей наводной части, наземной части и наводной части на сваях; так как в этих вариантах внутренние бассейны или водоемы, расположенные под прозрачной крышей наводной части сооружения на сваях, идентичны бассейнам или водоемам под общей прозрачной крышей, объединяющей наводную часть на сваях и наземную часть гелиоэнергетического сооружения. В такие водоемы, расположенные под прозрачной крышей, отводимая вода может поступать по желобу или трубе, они могут включать плавающие солнечные коллекторы и солнечные коллекторы, конструктивно совмещенные с солнечными батареями, которые в летний период могут располагаться снаружи, а в зимний - внутри. В этом варианте возможно сосредоточить каждый тип солнечных коллекторов в наводной части, лучше подходящей для эффективного их функционирования, так плавучая наводная часть может включать только солнечные коллекторы, конструктивно совмещенные с солнечными батареями, а плавающие солнечные коллекторы могут быть включены в наводную часть сооружения, расположенную на сваях. Такой вариант комплектации с целевой направленностью повышает эффективность гелиоэнергетического сооружения. Если из-за возможных колебанияй уровня воды в пруду от паводковых вод реализация такого варианта не возможна, то осуществляют вариант гелиоэнергетического сооружения, состоящий из наземной части и двух плавучих наводных частей. В последнем случае наводная часть, расположенная на сваях, заменена на вторую плавучую наводную часть с плавающими солнечными коллекторами, которые летом могут быть расположены внутри и снаружи наводной части сооружения, а зимой внутри.
Вторая плавучая наводная часть также связана с основным строением электрокабелем, отводящей и приточной трубами с гибкими, например гофрированными, вставками с запасом по длине, определяемым максимальным колебанием уровня воды в водоеме. Она также имеет возможность ориентации на солнце и связана с основным строением мостиком через поворотную опору или опору вращения, то есть наземная сторона мостика закреплена на сваях или свае, посредством скользящей или шарнирно-скользящей опор. Для климатических зон с холодной зимой, когда плавающие солнечные коллекторы не функционируют, предпочтительна следующая комплектация этой наводной части. Такая наводная часть в сечении поперечной плоскостью образует полукруг, но включает солнечные коллекторы, совмещенные с солнечными батареями, размещенные с снаружи; а внутри нее расположены плавающие солнечные коллекторы, которые собраны в рамы, закрепленные посредством петель на продольной оси, расположенной в центральной области наводной части сооружения, вблизи продольной оси расположена продольная составляющая сети мостиков обслуживания, по дальней стороне периметра и углам рам закреплены тросы, заведенные через блоки, расположенные в коньковой части наводного сооружения, противоположные концы тросов закреплены на катушках, размещенных на оси управляемого тягового привода с механизмом фиксации. В зимний период, посредством тягового привода, плавающие солнечные коллекторы приводятся в вертикальное положение и освобождаются от воды, а солнечные коллекторы, совмещенные с солнечными батареями, размещенные летом снаружи, помещаются внутрь плавучей наводной части сооружения на освободившееся место, такое расположение обеспечивает их работу в зимнее время, что повышает эффективность сооружения. Если колебания уровня воды в пруду от паводковых вод отсутствуют, то к лучшему следует отнести вариант гелиоэнергетического сооружения, состоящий из трех тепличных строений, включающий: одно тепличное строение, объединяющее наземную часть и наводную часть на сваях, и два тепличных строения, первую и вторую плавучие наводные части, которое идентично по эффективности сооружению из тех же частей в четырех отдельных тепличных строениях. Эффективность работы гелиоэнергетического сооружения связана с эффективностью работы его частей, в частности получения электроэнергии от солнечных коллекторов, совмещенных с солнечными батареями, эффективность работы которых повышается за счет возможности точной и экономичной ориентации их на солнце с одной стороны и поддержания их оптимального теплового режима с другой. Это обеспечивает наводная плавучая часть сооружения, основа которой состоит, по меньшей мере, из трех емкостей, бассейнов из водонепроницаемого материала 30, уровень заполнения их водой обеспечивает плавучесть наводной части, а их расположение позволяет выравнивать наводную часть сооружения по уровню, распределением воды в них посредством выравнивающего распределителя (Фиг. 3). Выравнивающий распределитель, конструктивно представленный ранее, работает следующим образом: поворотное средство, с которым внутренний цилиндр соединен валом или осью 27, управляемое от датчика уровня, поворачивает внутренний цилиндр 25, в который подается вода из наземного сооружения через трубу 23, относительно наружного цилиндра 24, в результате происходит синхронное совмещение сквозных отверстий 28 внутреннего и наружного цилиндров, в этом цилиндре каждое из отверстий 28 связано через трубу с соответствующим бассейном, то есть емкостью плавучей наводной части соответствующего расположения; поступающая в них вода изменяет перераспределение массы внутри плавучей наводной части и выравнивает ее по уровню; одновременно из всех бассейнов равномерно забирается тот же объем воды и отводится в пруд. Возможен инверсный принцип работы датчика уровня с обратным движением воды, то есть когда вода отводится в пруд через выравнивающий распределитель, в том же объеме поступает и равномерно распределяется во все бассейны. Непрерывный режим работы выравнивания плавучей наводной части экономически не выгоден, поэтому включение производится от датчика уровня автоматически при возникновении отклонений уровня (крена). В зимний период, для защиты от мороза, непрерывный режим работы выравнивания плавучей наводной части может быть обоснован сохранением ее работоспособности, в этом случае объем отводимой через нее воды может составлять весь объем воды, отводимый из сооружения в этот пруд. Выравнивание плавучей наводной части сооружения по уровню технически необходимо, так как обеспечивает возможность работы механизма ориентации ее по солнцу. В общем случае основание плавучей наводной части, как и мостик, соединяющий ее с берегом, включают также понтоны 34, включение понтонов зависит от соблюдения при проектировании и изготовлении плавучей наводной части расчетных требований, обеспечивающих плавучесть и устойчивость. Если эти требования выполняются без понтонов, то понтоны не нужны. При этом изменение формы, связанное с включением понтонов, на эффективность работы не влияет, так как скорость ее перемещения, поворота мала. Для возможности обеспечения энергоэкономичной ориентации плавучей наводной части на солнце, она связана одной поворотной опорной 31 с мостиком в удаленной от берега точке, из рассмотренных выше вариантов лучший, когда ось поворотной опоры мостика о наводную часть зафиксирована натяжением двух тросов 40, связывающих ее или часть мостика вблизи нее с берегом и образующих треугольник с поворотной опорой мостика как вершиной, и мостиком в качестве высоты. Механизм ориентации включает трос, фиксирующий ориентацию наводной части сооружения, закрепленный в двух точках на берегу, расположенных по разные стороны от мостика. Он пропущен через блоки, краевые из которых расположены на удаленных точках противоположных сторон наводной части, и обернут петлей вокруг катушки изменения ориентации, расположенной на наводной части сооружения и связанной с управляемым датчиком приводом. Силы натяжения тросов 37 и реакции опор образуют уравновешенную систему сил и моментов относительно центральной поворотной опоры. Привод, управляемый от датчика ориентации на солнце, поворачивает катушку изменения ориентации 39, которая перематывает через краевые блоки 38 трос фиксации ориентации наводной части сооружения 37, что изменяет соотношение его длин и ориентирует наводную часть сооружения и связанные с ней солнечные коллекторы, совмещенные с солнечными батареями, на солнце, что повышает эффективность их работы. Наводная часть выполняет также функцию сбора и передачи солнечной тепловой энергии, получаемой в процессе охлаждения солнечных коллекторов, конструктивно совмещенных с солнечными батареями, эффективность работы которых зависит от времени суток, так как солнечные коллекторы, конструктивно совмещенные с солнечными батареями, работоспособны только при воздействии солнечных лучей, поэтому для повышения эффективной бесперебойной работы гелиоэнергетического сооружения по накоплению солнечной тепловой энергии, оно включает также плавающие солнечные коллекторы. Плавающие солнечные коллекторы накапливают солнечную энергию в воде, находящейся внутри них, корпуса плавающих солнечных коллекторов теплоизолированы, кроме того, плавающие солнечные коллекторы расположены также внутри наводных частей сооружения, поэтому днем нагретая солнцем вода из плавающих солнечных коллекторов, расположенных снаружи, подается в плавающие солнечные коллекторы, расположенные внутри тепличного строения, где за счет хорошей теплоизоляции тепловая энергия в воде сохраняется; а после прекращения работы солнечных коллекторов, конструктивно совмещенных с солнечными батареями, вода из плавающих солнечных коллекторов, расположенных внутри наводного сооружения, подается в поверхностный теплообменник наземной части сооружения, то есть вода из водоема или пруда днем поступает через солнечные коллекторы, конструктивно совмещенные с солнечными батареями, а ночью через плавающие солнечные коллекторы, обеспечивая бесперебойность работы сооружения независимо от времени суток, что повышает его эффективность. Каждый из солнечных коллекторов, конструктивно совмещенных с солнечными батареями, представляет собой заполненную водой извилистую теплопроводящую трубку или змеевик, расположенный на теплопоглощающей плате, на обращенной к солнцу стороне которой размещены солнечные батареи. Он имеет с теплопоглощающей платой хороший тепловой контакт. Нижняя часть змеевика погружена в воду водоема, а верхняя подсоединена к теплоизолированному шлангу, подключенному к водозаборному насосу. Вода насосом подается в желоб, соединенный с трубой поверхностного теплообменника 8, или непосредственно в желоб 9 поверхностного теплообменника, если используется поверхностный теплообменник другой конструкции. В другом варианте, который подходит для конструкции, объединяющей несколько солнечных батарей в общую раму, шланг, связанный с верхней частью змеевика, заведен в желоб, из которого насосом производится забор воды, обеспечивая ее более низкий уровень по сравнению с уровнем воды водоема, куда погружена нижняя часть змеевика; затем вода из желоба наводной части подается по трубе в желоб наземного сооружения, в котором проходит по трубе или желобу поверхностного теплообменника и снова по трубе поступает в температурный распределитель 2 (Фиг. 2, 3) теплоаккумулятора. В солнечном коллекторе, конструктивно совмещенном с солнечными батареями для варианта, подходящего для наружного расположения, одна из сторон платы закреплена на петлях в плавучей раме, а другая имеет возможность подъема посредством тросов, закрепленных по дальней стороне периметра по отношению к петлям и заведенным через блоки, расположенные на балке, объединяющей конструкции в форме двух ажурных треугольников или полукругов, расположенных по краям рамы. Ажурная конструкция которых является опорой для прозрачного кроющего материала. В другом случае тросы заведены через блоки, расположенные на балке в коньковой области наводной части сооружения, при расположении солнечных коллекторов внутри нее. Противоположные концы тросов закреплены на катушках или барабанах, размещенных на оси управляемого от датчика тягового привода с механизмом фиксации, посредством которого возможен подъем одной из сторон коллекторной платы и ориентации ее перпендикулярно солнечным лучам. Эти конструкции для солнечных коллекторов, конструктивно совмещенных с солнечными батареями, позволяют ориентировать их на солнце в вертикальной плоскости, что повышает их эффективность. Поверхностный теплообменник 8 включает наружный желоб 9 с цилиндрической отражающей поверхностью, по которому из солнечно-теплового или смесительного теплообменника отводится аэрированная вода, находящаяся в тепловом контакте с подводящей воду нагреваемой солнцем зачерненной приточной трубой, расположенной внутри желоба вдоль его фокальной оси, желоб соединен с отводящей трубой и трубами, ведущими от смесительного теплообменника и солнечно-теплового теплообменника. Движение воды по желобу происходит самотеком, а по трубе под минимально необходимым давлением; для практической реализации некоторых функций: включения фильтрующих и обеззараживающих устройства, а также с целью предотвращения возможных воздушных пробок, в местах выхода воды из трубы или подачи воды в трубу, в этих местах труба в наружном желобе заменена другим желобом меньшего диаметра. Другой вариант поверхностного теплообменника, конструктивно представленный ранее, также включает наружный желоб, вдоль которого во внутренней его области расположена труба. Поверхностный теплообменник расположен в цокольной части наземного сооружения, если температура отводимой воды выше поступающей; то отводимая вода предварительно поступает в поверхностный теплообменник, где передает накопленную или оставшуюся после теплообмена тепловую энергию воде, поступающей из пруда. Поверхностный теплообменник передает тепловую энергию воде, поступающей через температурный распределитель 2, в соответствующую изотемпературную область наружной части теплоаккумулятора 13, выполненную как ров и расположенную по периметру наземной части сооружения. Наружная часть теплоаккумулятора разделена на изотемпературные области посредством теплоизолирующих экранов 16 и соединена с центральным теплоаккумилятором 1, конструктивно представленным на с. 7-8, он состоит из соединенных друг с другом модулей, состоящих из трубных крестовин (Фиг. 5), посредством которых обеспечивается его разделение на изотемпературные области. Центральный теплоаккумулятор размещен в гидроизолированном подвале под сооружением, нижняя часть подвала разделена на уровне одной или двух нижних изотемпературных зон теплоаккумулятора теплоизолированным полом 17, под которым между полом, водой и разделяющими перегородками образован лабиринт каналов, который является воздуховодом и теплообменником для воздуха единой вентиляционной системы, объединенной воздуховодами 12 и включающей смесительный теплообменник и пространство между покрытиями сооружения. Нижние изотемпературные области наружной части теплоаккумулятора связаны трубами, оборудованными клапанами, управляемыми поплавками или электромагнитами, с подвалом центрального теплоаккумулятора, при этом вода из нижних областей наружной части теплоаккумулятора поступает в подвал в количестве, равном забираемой из подвала для теплообмена; а верхние теплые изотемпературные области наружной части теплоаккумулятора связаны трубами через заборный температурный распределитель 2 или верхняя изотемпературная область связана непосредственно с приемным температурным распределителем центрального теплоаккумулятора. Температурный распределитель (Фиг. 2), конструктивно представленный ранее, аналогичен распределителю уровня, в отличии от последнего в нем для управления используется датчик температуры воды. Для уменьшения тепловых потерь и повышения эффективности функционирования распределителей предложены варианты, позволяющие располагать их внутри теплоаккумулятора. Для теплоизоляции с целью повышения эффективности по внешнему периметру наружной части теплоаккумулятора расположен тепловой экран 15, он может применяться с той же целью и для теплоизоляции других частей гелиоэнергетического сооружения с функцией водообмена. Вода из соответствующего внутренним температурным требованиям гелиоэнергетического сооружения: обогрев или охлаждение, изотемпературной области теплоаккумулятора, с учетом наружной температуры, подается или в солнечно-тепловой теплообменник, если наружная температура достаточно высокая; или в смесительный теплообменник 5, последний не может эффективно работать на охлаждение и сбор тепловой энергии, поэтому работает в холодный период на обогрев, Смесительный теплообменник, конструктивно представленный ранее, представляет собой горизонтально протяженный вдоль одной или нескольких сторон сооружения воздуховод с гидроизолированным поддоном, соединенным с отводными трубами для отвода воды из поддона в поверхностный теплообменник и водоем. Внутри воздуховода над поддоном расположена труба с форсунками для распыления воды, подаваемой насосом через заборный температурный распределитель воды из соответствующей температурным требованиям приточного воздуха изотемпературной области теплоаккумулятора. Смесительный теплообменник разделен продольной горизонтальной поверхностью, проницаемой для воды и воздуха, например сетчатой, на две части: в верхней части расположена труба с форсунками, а по бокам в двух уровнях, над разделяющей поверхностью и под ней, расположены закрываемые окна. Наружный холодный воздух подается с наружной стороны в нижние окна, проходит через сетчатую перегородку, омываемую теплой водой, забираемой из теплоаккумулятора и распыляемой через форсунки над сетчатой перегородкой, в результате теплообмена с теплой водой температура воздуха повышается и он через верхние внутренние окна поступает внутрь сооружения, а вода отводится через поверхностный теплообменник в водоем или пруд. Для повышения эффективности в окнах приточной вентиляции смесительного теплообменника установлены вентиляторы с возможностью реверса, а в окнах выходной вентиляции установлены задвижки с фильтрами разной плотности, автоматически перекрываемые частично или полностью от привода, управляемого процессором; окна смесительного теплообменника сообщаются с вентиляционными окнами внутренней области сооружения с одной стороны и воздуховодами приточной вентиляции и пространством между покрытиями с другой, где расположен солнечно-тепловой теплообменник, конструктивно представленный ранее, он неразрывно связан с наружной конструкцией наземной части гелиоэнергетического сооружения и работает на ее охлаждение, то есть с распылением воды и переносом тепловой энергии водой и воздухом, он работает только в жаркие периоды, в умеренные и прохладные периоды пространство между покрытиями используется только для перемещения воздуха. В жаркий период холодная вода из теплоаккумулятора подается в трубу с форсунками и распыления по верхней части внутреннего покрытия ниже уровня верхних вентиляционных окон, стекая сверху вниз, под действием собственной тяжести, вначале по каркасу внутреннего покрытия и внутреннему покрытию охлаждает поверхность крыши и воздух, поднимающийся снизу вверх, в том же пространстве между покрытиями. В результате теплообмена вода нагревается и стекает в водосборный желоб, который расположен выше уровня нижних вентиляционных окон, а затем по трубе для отвода воды через поверхностный теплообменник в водоем. В холодные зимние периоды работает только смесительный теплообменник, а перенос тепловой энергии осуществляется воздухом по общей вентиляционной системе, объединенной с пространством между покрытиями. Наземная часть гелиоэнергетического сооружения имеет двускатную двойную крышу, пространство между покрытиями которой объединено с пространством между двойными стенами фасада, при этом часть внешнего покрытия крыши над цокольным пространством между низкими двойными стенами имеет форму открывающихся прозрачных рам 14, закрепленных на петлях и создающих доступ для обслуживания к пространству между покрытиями цокольной части сооружения, где расположены поверхностный и смесительный теплообменники. В солнечно-тепловом теплообменнике и смесительном теплообменнике используется принцип распыления воды в воздушной среде, при этом вода обогащается кислородом, что делает ее пригодной для аэрации пруда, как эффективного результата водообмена. В холодный период, когда работает смесительный теплообменник, воздух для вентиляции сооружения забирается из пространства между покрытиями, где предварительно согревается, за счет тепла наружной части теплоаккумулятора, в смесительном теплообменнике температура воздуха, проходящего через него в сооружение, дополнительно повышается за счет теплообмена с теплой водой, после поверхностного теплообменника температура воды остается относительно высокой, что позволяет использовать ее для охвата аэрацией большего числа прудов, это особенно важно в зимний период, что повышает эффективность работы сооружения для водообмена с целью аэрации. Для этого отводная труба проложена по дну и под плотиной нижнего по уровню пруда каскада, состоящего из трех смежных прудов, чем достигается возможность аэрации как нижерасположенного пруда, так и следующего за ним пруда каскада. В периоды, когда аэрация воды этих прудов становится приоритетной, через эту отводную труб из сооружения в нижний водоем или пруд может отводиться весь объем воды.