СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО СОЛНЕЧНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
COMBINED SOLAR POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к системам автономного энергоснабжения объектов жилого, торгово-административного, курортно-оздоровительного и другого назначения и может быть использовано в системах тепло- и холодоснабжения и относится к перспективным направлениям новых технологических решений и приоритетным направлениям развития науки и техники РФ.
Технический результат достигается совокупностью конструктивных параметров здания, наличием устройств, повышающих теплоэффективность сбора и аккумулирования тепловой энергии и последовательностью системных параметров системы.
Известно устройство для автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии (патент RU 2350847 С1, МПК F24D 3/08, опубликован 27.03.2009), которое содержит систему сбора и утилизации тепла грунта от скважинных теплообменников, контур холодоснабжения и испаритель теплового насоса, систему отопления с электрическим пиковым нагревателем, систему горячего водоснабжения и систему электроснабжения от фотоэлектрических модулей, ветроэлектрической станции и микрогидроэлектростанции с соответствующим блоком коммутации, выпрямления и аккумулирования, соединенные с электрооборудованием системы теплоснабжения. К признакам, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, относятся: система автономного теплоснабжения с солнечными коллекторами и баками-аккумуляторами, тепловой насос с испарителем и конденсатором, система электроснабжения от возобновляемых источников энергии с системой аккумулирования, контроля и преобразования.
Недостатком известного устройства является отсутствие бесперебойного электроснабжения, которое питается только от возобновляемых источников энергии, а также наличие скважинных теплообменников, низкопотенциальное тепло от которых в условиях глубины промерзания грунта более 1 метра возможно получать лишь с затратой дополнительной энергии. Этот факт не приводит к экономии энергии.
Известно устройство (патент RU 2334850 С2, МПК E04H 12/00, F24F 12/00, C02F 11/04 опубликован 27.09.2008), имеющее солнечный коллектор, систему водоснабжения с аккумулятором, имеющим наполнитель с высокой теплоемкостью, систему кондиционирования с ледником, биореактор с фильтром для биогаза и ветрогенератор с аккумулятором энергии. К признакам, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, относятся: система теплоснабжения с солнечными коллекторами, аккумулятор тепла с веществом фазового перехода, аккумулятор электроэнергии для возобновляемого источника.
Недостатком известного устройства является нестабильность источников выработки электроэнергии, трудности в поддержании низкой температуры в леднике, особенно в летний период, а также то, что для производства биогаза в такой системе требуется продолжительное время, при незначительном его количестве в результате. Срок окупаемости такой установки будет довольно значительным.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является система автономного теплоснабжения и холодоснабжения зданий (патент RU 2382281 С1, МПК F24D 3/18, опубликован 20.02.2010), которая содержит контур отопления теплыми полами, контур отопления конвекторами, аккумулятор отопительной воды с теплообменником пикового нагревателя, два тепловых насоса, а также систему сбора тепла грунта со скважинными теплообменниками и систему вентиляции с утилизацией тепла. К признакам, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, относятся: система автономного теплоснабжения с солнечными коллекторами и баками-аккумуляторами, наличие тепловых насосов с испарителями и конденсаторами, теплообменник вентиляционной установки.
Недостатком известного устройства является наличие двух тепловых насосов в системе, что приводит к значительному ее удорожанию. Кроме этого значительная территория России имеет промерзающие грунты более 1 метра. При этом нецелесообразно получать низкопотенциальное тепло от грунта, а также это требует значительных капиталовложений для заглубления и прогрева скважин. Прогрев низкопотенциального теплоносителя в зимнее время является нерациональной тратой энергии, поскольку желательно это тепло сразу направлять в тепловой насос, в то время как теплоноситель в скважине в относительно небольшой временной промежуток без дополнительного обогрева приобретет температурные параметры окружающего грунта.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение возможности сбора и использования солнечной энергии зданием с одновременным увеличением теплового потенциала здания и комплексным функционированием систем сбора и преобразования энергии.
Технический результат изобретения заключается в достижении возможности максимально использовать солнечное излучение путем оптимизации архитектурно-планировочных решений и конструктивных параметров здания с одновременным использованием системы комбинированного солнечно-теплонасосного теплоснабжения, а также наличием устройств, повышающих теплоэффективность сбора и аккумулирования тепловой энергии.
Архитектурное решение дома разработано для обеспечения максимального сбора тепловой и солнечной энергии в сезон с недостатком тепла и уменьшения притока тепловой энергии в сезон с его избытками. Поэтому архитектурное решение дома составлено следующим образом (фиг.1).
Крыша 1 энергоэффективного дома спроектирована односкатной, таким образом, что выступ крыши 2 наклонен под углом 90+(ф-15), где ф - широта местности. Это позволяет солнечным лучам свободно достигать фотоэлемента 3 в любое время года и препятствует попаданию осадков и снега на поверхности фотоэлемента. Кроме этого при попадании снега и осадков создается аэродинамический турбулентный поток, создающий сдувание снега с фотоэлемента. Козырек 4, на котором расположены фотоэлементы, имеет ширину, при которой активные летние солнечные лучи не попадают в помещение. Козырек препятствует попаданию полуденных летних солнечных лучей и излишнему нагреву помещения летом. Это исключает дополнительную нагрузку на системы кондиционирования, а в зимнее время поток солнечных лучей в зимнее время достигает тепловой массы 5, находящейся на полу 6 и в стенах помещения 7, способствуя дополнительному нагреву помещения.
Через световые проемы 8, доля которых составляет 60% на южной, восточной и западной стороне и до 30% на северной площади стен, обеспечивается проникновение солнечных лучей и в холодный период года и осуществляется дополнительный нагрев помещения с помощью тепловой массы.
Остекление световых проемов выполнено из энергосберегающих стеклопакетов, содержащих стекло, препятствующее пропусканию лучей инфракрасного спектра или имеющее в составе вещества, действующие на светопроницаемость.
Остекление также может быть выполнено из энергосберегающих стеклопакетов, содержащих в стекле светорегулирующие металлические элементы, которые снижают светопропускание при повышенной инсоляции (для предотвращения лишней инсоляции в летнее время) с параллельной функцией охраны дома от проникновения.
Световые проемы также могут содержать жалюзи 9, покрытые с одной стороны черной краской, под воздействием которой нагретый воздух вдоль оконного проема нагревается и поступает через вытяжные отверстия 10 в систему вентиляции для нагрева холодных комнат на северной стороне, и покрытые с другой стороны отражающим покрытием, которое отражает тепло внутрь помещения.
Под окнами на наружной поверхности стены предусмотрена также плоскость отражения солнечных лучей 12 на солнечные коллекторы, которые располагаются под окнами.
Тепловая масса пассивного дома 5 интегрирована в систему сбора тепла различными способами: от покрытого плиткой пола до заполненных водой емкостей, бетонными или каменными плитами для пола и другими теплоемкими строительными материалами с большой объемной теплоемкостью. Пол можно покрыть темной плиткой, и он будет поглощать тепло в течение дня и излучать ночью. В тепловую массу интегрированы пластинчатые металлические теплопроводные включения 13 для увеличения теплопередачи внутри тепловой массы, что ведет к повышению теплосодержания дома, поскольку при теплопроводных включениях можно увеличить тепловую массу для большей теплоемкости и аккумулирования.
Солнечные коллекторы расположены под углом ф, равным широте местности, и предназначены для сбора тепловой энергии.
Система теплоснабжения, фиг.2
Рабочее вещество, антифриз или вода, с максимальной температурой теплоносителя, уровень которой отслеживается при помощи механического или электронного клапана 14, из солнечных коллекторов 15, имеющих термочувствительные элементы 16, обеспечивающие поворот за солнцем, через слой теплоизолятора 17 над плитами перекрытия 18, для дополнительного сохранения тепла в трубах, через трехходовой кран 19 поступает в бак-аккумулятор 20, а при низкой интенсивности солнечного излучения проходит сразу в испаритель 21 теплового насоса 22. Рабочее вещество попадает в верхнюю часть 23 бака-аккумулятора и в слой, находящийся в середине, выходит из нижней его части 24 через слой, находящийся ближе к наружным стенкам. В баке-аккумуляторе отдает тепло теплоаккумулирующему слою 25, содержащему материал с фазовым переходом.
Для повышения теплового потенциала теплоснабжения в систему включен тепловой насос 22, получающий тепло последовательно из двух испарителей: сначала от теплообменника сброса сточных вод 26, потом от теплообменника солнечных коллекторов 21. Тепловой насос снабжен двумя конденсаторами 27, 28, в первом конденсаторе 27 происходит подогрев теплоносителя для системы отопления 30, которая снабжена дополнительным пиковым подогревателем 29 на традиционном топливе или электричестве. Второй конденсатор 28 теплового насоса установлен для первичного подогрева воды в системе водоснабжения.
Для дополнительного подогрева в помещениях предусмотрено поступление подогретого воздуха из рекуператора 31 вентиляционного воздуха и аккумулирование тепла тепловой массой, нагретой солнечным излучением через окна в помещениях.
Термочувствительный элемент 16, обеспечивающий слежение и поворот за солнцем
Система слежения коллекторов за солнцем не содержит сложных электронных элементов, поскольку для этого применяются материалы с памятью формы (термочувствительные элементы), поворачивающие солнечные коллекторы вслед за солнцем. Термочувствительный элемент 16 расположен таким образом, что при нормальном падении прямых солнечных лучей на коллектор он находится в тени и не нагревается. Коэффициент жесткости подобных элементов зависит от фазового состава, и более освещенный элемент будет изменять свою форму. При изменяющемся положении солнца он подвергается нагреванию от солнечных лучей, и при возникающем перепаде температур он поменяет свою форму и окажет воздействие на сопряженную тягу (не показана на иллюстрации) таким образом, что возникает крутящий момент, обеспечивающий поворот коллектора в сторону нормального солнечного освещения. Термочувствительный элемент опять остается в тени до следующего перемещения солнца, обеспечивая необходимую ориентацию солнечному коллектору.
Устройство для максимального теплового эффекта сбора солнечной энергии и поступления тепла из солнечных коллекторов
Рабочее вещество, антифриз или вода, нагревается в системе солнечных коллекторов. Каждый коллектор нагревается неравномерно. Это зависит от множества параметров: наличие временной тени, технических ситуаций в самом коллекторе и т.д. Для поступления наиболее нагретой воды в систему аккумулирования в представленной системе устанавливаются механические клапаны 14 или электронные клапаны с датчиками сравнения температуры у выходных патрубков каждого солнечного коллектора.
Механический клапан 14 для открытия и поступления потока нагретого теплоносителя из солнечного коллектора подробно представлен на фиг.4.
Теплоноситель из солнечных коллекторов должен поступать в бак-аккумулятор при температуре, большей, чем находящаяся вода в баке-аккумуляторе. Система регулирования поступления нагретой воды в бак-аккумулятор в представленной системе может не содержать энергозависимых элементов, для работы которых требуется электроэнергия, поскольку циркуляция теплоносителя может осуществляться механически за счет разности давлений нагретой и охлажденной среды внутри клапана регулирования. Для этого на выходе нагретой воды из солнечного коллектора установлен энергонезависимый клапан открытия потока, поступающего в бак-аккумулятор. Клапан представляет собой цилиндр с подвижной мембраной 14а, делящей клапан-цилиндр пополам. Половина цилиндра до мембраны заполнена рабочим веществом 14б (масло и др), которое при нагревании расширяется быстрее, чем теплоноситель в системе солнечного коллектора, то есть имеет больший коэффициент теплового расширения при нагревании. При попадании солнечного излучения рабочее вещество в клапане-цилиндре расширяется и открывает клапан 14в для поступления нагретого теплоносителя из солнечного коллектора в бак-аккумулятор через патрубок 14г. При отсутствии солнца рабочее вещество охлаждается и подвижная запорная часть 14в клапана закрывается, прекращая поступление недостаточно нагретой воды из солнечного коллектора. Такая конструкция позволяет избежать удорожания системы из-за устройства автоматики.
Функционирование и конструкция бака-аккумулятора, подробно представленного на фиг.5
Траектория прохождения горячей воды в баке-аккумуляторе 20 образует спираль, расширяющуюся кнаружи. При этом горячая вода из солнечных коллекторов приходит в центральную часть 23, а охлаждаемая течет в следующий виток спирали кнаружи. Последний виток спирали находится у наружной стенки 24. Такая конструкция дает уменьшение теплопотерь, поскольку горячая вода не соприкасается непосредственно с наружной стенкой бака. Кроме этого бак заполнен теплоаккумулирующим материалом, например парафином. Для более быстрого расплавления парафина он залит в соты из пластин теплопроводного материала 32, например металлической фольги. Это позволяет достигать более плавного распределения температурного поля по толщине теплоаккумулирующего материала, поскольку теплопроводность парафина уменьшается с возрастанием температуры. Теплопроводные пластины из металлической фольги позволяют выровнять теплопроводность теплоаккумулирующего материала по толщине и по объему. Применение теплоаккумулирующей массы особенно актуально в условиях резко-континентального климата с резкими перепадами суточных (более 10-15 градусов) и межсезонных температур и большим количеством безоблачных солнечных дней, когда накопленная энергия в течение теплого дня будет расходоваться в течение холодной ночи.
Контур теплового насоса
Работу системы теплоснабжения обеспечивает тепловой насос 22, имеющий два испарителя 26 и 21, и два конденсатора 27 и 28, что позволяет увеличить КПД теплового насоса. Первый испаритель 26 расположен в утилизаторе тепла сточных вод, где рабочий агент контура теплового насоса получает тепло сточных вод и дополнительно догревается для поступления в тепловой насос. Второй испаритель 21 расположен в аккумуляторе солнечного коллектора, где получает энергию от нагрева солнечных коллекторов. После сжатия в компрессоре рабочий агент поступает в первый конденсатор 27, находящийся в контуре системы отопления, затем поступает во второй конденсатор 28 и отдает оставшееся тепло в баке первичного нагрева воды системы водоснабжения. Этим достигается повышение эффективности работы теплонасосной системы.
Система электроснабжения, фиг.6
Электроэнергия вырабатывается фотоэлектрическими модулями 3, полученная энергия от которых через контроллер заряда-разряда 34 поступает в аккумуляторные батареи 36, которые используются для создания необходимого запаса электроэнергии в периоды, когда выработка электроэнергии превышает потребление, и ее расход, когда потребление превышает выработку. Поскольку большинством потребителей 37 являются приборы, работающие на переменном токе, в систему включен инвертор 35 для преобразования постоянного тока в переменный. Рабочая точка солнечных модулей, подключенная к нагрузке, не всегда совпадает с точкой максимальной мощности (тем более, что положение последней зависит от условий освещенности и температуры окружающей среды). Подключение таких нагрузок, как, например, электродвигатель, может сдвинуть рабочую точку системы в область минимальной или даже нулевой мощности (и двигатель просто не запустится). Вследствие этого в систему включен следующий важный компонент системы - преобразователь напряжения (устройство отбора максимальной мощности), способный согласовывать работу солнечных модулей с нагрузкой. В нем реализуется принцип поиска максимума мощности путем коротких периодических изменений положения рабочей точки. Если при этом мощность на выходе прибора возрастает, то положение рабочей точки меняется в этом направлении при последующем шаге. Таким образом, непрерывно оптимизируется нагрузочная характеристика для отбора максимальной мощности, а также обеспечивается возможность регулировки в широком динамическом диапазоне и формирования импульсов тока, способных зарядить аккумуляторную батарею 36 даже в условиях слабой освещенности. Этот алгоритм может быть улучшен запоминанием часто повторяющихся направлений смещения рабочей точки (для устранения шагов смещения в ложных направлениях), что бывает важно в условиях быстро меняющейся освещенности. На выходе регулятора формируются импульсы постоянного тока, ширина и частота следования которых зависят от мощности, производимой солнечной батареей в данный момент. При этом, если рабочее напряжение нагрузки ниже, чем рабочее напряжение модуля, то можно получать большие значения токов в нагрузке, чем ток короткого замыкания батареи.
Для обеспечения надежности и бесперебойной работы системы предусматривается подключение к централизованной электросети 38 через счетчик 39. При этом возможно электроснабжение как от центральной электросети, так и от резервного источника энергии. Тем самым можно снизить затраты на покупку электроэнергии от сети и обеспечить бесперебойное электроснабжение.
Перечень позиций на чертежах
1. Крыша.
2. Выступ крыши.
3. Фотоэлемент.
4. Козырек.
5. Тепловая масса.
6. Пол помещения с тепловой массой.
7. Стены помещения с тепловой массой.
8. Световые проемы.
9. Жалюзи.
10. Вытяжные решетки системы вентиляции.
11. Приточные решетки системы вентиляции.
12. Плоскость отражения солнечных лучей на солнечные коллекторы.
13. Пластинчатые металлические теплопроводные включения.
14. Механический или электронный клапан открытия поступления потока из солнечных коллекторов.
14а. Подвижная мембрана.
14б. Рабочее вещество клапана с большим коэффициентом температурного расширения.
14в. Подвижная запорная часть клапана.
15. Солнечные коллекторы.
16. Термочувствительный элемент для слежения за солнцем.
17. Слой теплоизолятора.
18. Плита перекрытия.
19. Трехходовой кран.
20. Бак-аккумулятор.
21. Испаритель теплового насоса.
22. Тепловой насос.
23. Верхняя часть бака-аккумулятора.
24. Нижняя часть бака-аккумулятора.
25. Теплоаккумулирующий слой с материалом фазового перехода.
26. Теплообменник сброса сточных вод.
27. Теплообменник системы отопления.
28. Теплообменник системы водоснабжения.
29. Пиковый подогреватель на традиционном топливе или электричестве.
30. Система отопления «теплые полы».
31. Рекуператор вентиляционного воздуха.
32. Пластины из теплопроводного материала (металлическая фольга).
33. Устройство отбора максимальной мощности.
34. Регулятор зарядки-разрядки (контролер).
35. Инвертор.
36. Аккумуляторные батареи системы электроснабжения.
37. Потребитель переменного тока.
38. Централизованная электросеть.
39. Счетчик электроэнергии.
Фиг.1. Система комбинированного солнечного энергоснабжения.
Фиг.2. Система теплоснабжения.
Фиг.3. Система солнечных коллекторов.
Фиг.4. Механический клапан для открытия и поступления потока нагретого теплоносителя из солнечного коллектора.
Фиг.5. Конструкция бака-аккумулятора.
Фиг.6. Система энергоснабжения.