МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СОЛНЕЧНОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
MULTIPURPOSE SOLAR POWER PLANT

Многофункциональная солнечноэнергетическая установка (далее МСЭУ) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности, к использованию солнечного излучения для получения электрической энергии, обеспечения горячего водоснабжения и естественного освещения помещений различного назначения.
Известна солнечная энергетическая установка [1] с фокусировкой солнечного излучения на фотоэлектрические панели, системой охлаждения, защищающая фотоэлектрические панели от перегрева. Недостатком этого изобретения является отвод тепла в окружающее пространство, что является нерациональным.
Известно изобретение [2], содержащее: приемник излучения с оптической фокусировкой, полупроводниковые преобразователи солнечного излучения в электрическую энергию, систему охлаждения. Недостатком данного изобретения является также отвод тепла в окружающую среду без рационального его использования.
Известно изобретение [3], содержащее приемник солнечного излучения с фокусировочным устройством, полупроводниковые преобразователи, систему охлаждения с парогенератором. Недостатком этого изобретения являются выработка только электроэнергии, наличие сложного механизма парогенератора с трущимися деталями, что со временем приведет к их износу и потере работоспособности устройства. Кроме того, устройство требует постоянного технического облуживания и ремонта.
Известно изобретение [4], в конструкции которого наряду с фотоэлектрическими панелями используется ветроэнергетическая установка для выработки дополнительной электроэнергии, кроме того конструкция содержит: инвертор, компрессор, пневмоаккумулятор, теплообменник, гидроаккумулятор и воздушный редуктор. Недостатком этого изобретения являются: использование вырабатываемой электроэнергии только для отопления теплицы; система компрессор, пневмоаппаратура и гидроаккумулятор, требуют затрат на их эксплуатацию; низкая надежность работы конструкции при отсутствии солнечного излучения и ветра.
Известна система энергосберегающего естественного освещения, защищенная патентами США [5, 6], и содержащая: светособирающий купол; световодные трубы с внутренней зеркальной поверхностью, имеющие на конце трубы светорассеивающую плиту; заслонку для ограничения светового потока; электродвигатель для управления заслонкой. Основным недостатком этой системы является невозможность увеличения интенсивности светового потока, так как диаметр купола и диаметр световодной трубы одинаковы, отсутствие возможности использовать накопленную энергию солнца для освещения в пасмурное и вечернее время суток, а также светособирающий купол устанавливается на крыше без учета широты местности.
Таким образом, из уровня техники, последовательности соединения (связи) и их конструктивного выполнения объединяющих функции получения электрического тока, горячего водоснабжения, естественного и искусственного освещения помещений различного назначения за счет солнечного излучения в настоящее время не обнаружено.
Задачей изобретения является максимальное использования энергии Солнца в единой конструкции, предназначенной для одновременной выработки электрической энергии, обеспечения горячего водоснабжения, естественного освещения помещений различного назначения в дневное и вечернее время.
МСЭУ представляет собой единую систему, предназначенную для: преобразования солнечного излучения в электрическую энергию; подогрева теплоносящей жидкости, с целью обеспечения горячего водоснабжения, и использование солнечного света для естественного освещения помещений различного назначения посредством транспортировки солнечного света внутри полых световодов, имеющих зеркальную внутреннюю поверхность. МСЭУ содержит: оптически активный купол, представляющий собой прямоугольную двояковыпуклую линзу; фотоэлектрическую панель (далее ФЭП); солнечный коллектор (далее СК); теплоприемную медную пластину, покрытую черным хромом; медные шестигранные трубопроводы для теплоносящей жидкости; бак-аккумулятор; теплообменник; насос для прокачки теплоносящей жидкости, выполненной на основе этиленгликоля; обратный клапан; круглые плоские горизонтальные заслонки полых световодов; рассеиватель солнечного света; микродвигатели круглых плоских горизонтальных заслонок полых световодов; круговые светодиодные лампы; аккумуляторные батареи; датчики света и температуры; электронный блок управления; пульт управления; инвертор для получения переменного напряжения 220 В 50 Гц; опору с опорными стойками для поддержания конструкции МСЭУ.
Технический результат заявленного изобретения достигается:
- наличием оптически активного купола, представляющего двояковыпуклую прямоугольную линзу, которая концентрирует солнечный свет на фотоэлектрические и теплоприемную панели, а также подает солнечное излучение в полые световодные трубы;
- применением ФЭП, выполненных в виде тандемных структур, имеющих пленку из аморфного кремния (a-Si) и микропрозрачную пленку (mc-Si), выполненных на медной подложке, позволяющих преобразовать видимую часть солнечного света и инфракрасный спектр солнечного излучения в электрическую энергию;
- наличием медных шестигранных трубопроводов с теплоносящей жидкостью, изготовленной на основе этиленгликоля, обеспечивающей съем тепла с медной подложки ФЭП и медной теплоприемной пластины, покрытой черным хромом, солнечного коллектора;
- наличием двухконтурной системы теплообмена с датчиками температуры, которые установлены на медной подложке ФЭП и в баке-аккумуляторе, насоса с обратным клапаном для перекачки теплоносящей жидкости, термоэлектрического нагревателя (ТЭН), установленного в баке-аккумуляторе;
- применением датчика света, который, при отсутствии солнечного света, подает сигнал на микродвигатель, связанный валом с круглой плоской защитной заслонкой, которая поворачивается вокруг оси вала и перекрывает вход в световодную трубу, а при наличии солнечного света открывает ее;
- применением круглых плоских горизонтальных заслонок световодных труб, причем поверхности этих заслонок с двух сторон покрыты ФЭП;
- наличием электронного блока управления с инвертором и аккумуляторными батареями, позволяющим в автоматическом режиме контролировать температуру ФЭП и освещенность помещений.
На Фиг. 1 показан в разрезе общий вид МСЭУ в варианте ее установки на крыше помещения. На фиг. 2 по стрелке А представлен вид МСЭУ сверху. На фиг. 3 по стрелке Б показан вид МСЭУ сбоку. На Фиг. 4 представлена структурная схема функционирования МСЭУ.
МСЭУ содержит следующие функционально связанные между собой составные части: двояковыпуклая прямоугольная линза оптически активного купола 1, торцевые стенки которого выполнены из прозрачного материала (не обозначены); шестигранные трубопроводы 2 ФЭП; тандемная ФЭП 3; прозрачная перегородка 4; боковая зеркальная поверхность 5 СК 11; шестигранный трубопровод 6 СК 11; теплоприемная медная пластина 7 СК 11; зеркальная поверхность, расположенная по периметру СК 11; теплоотражающая пленка 8 (фольга); патрубок 9 подачи нагретой теплоносящей жидкости по трубопроводу в теплообменник 32 бака-аккумулятора 31; трубопровод с патрубком 23 для подачи охлажденной теплоносящей жидкости в шестигранные трубы 2 ФЭП и шестигранные трубы 5 СК 11; утеплитель 10 СК 11; корпус СК 11; круглые плоские горизонтальные заслонки 12 полых световодных труб; полая световодная труба 13 (не менее одной) с внутренней зеркальной поверхностью; крепежная лента 14 МСЭУ; крепежные болты 15; крыша помещения 16; круговая светодиодная лампа (КСДЛ) 17; рассеиватель солнечного света 18, устанавливаемый на выходе полой световодной трубы 13; пульт управления 19; кнопка включения (выключения) 20 круговой светодиодной лампы 17; кнопка управления 21 круглыми плоскими горизонтальными заслонками 12 полых световодных труб 13; опора с опорными стойками 22 МСЭУ; трубопровод подачи охлажденного теплоносителя 23; аккумуляторная батарея (АКБ) 24; инвертор 25; вал 26 микродвигателя 27; блок управления 28; датчик света 29, располагаемый на выходе из полой световодной трубы 13; датчик температуры 30 ФЭП 3; датчик температуры 34 бака-аккумулятора 31; теплообменник 32, расположенный в баке-аккумуляторе 31; термоэлектрический нагреватель (ТЭН) 33; насос 35; трубопровод 36 подачи горячего теплоносителя в" теплообменник 32; трубопровод 37 подачи горячей воды потребителям; трубопровод 38 подачи холодной воды в бак-аккумулятор 31.
МСЭУ функционирует следующим образом: солнечное излучение собирается оптически активным куполом 1 и концентрируется двояковыпуклой линзой, одновременно концентрированное солнечное излучение попадает на ФЭП, медную теплоприемную пластину 7 СК 11 и в полую световодную трубу 13. Солнечная энергия в виде излучения, попадая на ФЭП 3, инициирует выработку электроэнергии, которая идет на освещение помещений с помощью КСДЛ 17 и (или) аккумулируется в АКБ 24 с целью дальнейшего использования для освещения помещений в пасмурное и вечернее время суток, а также для подогрева воды, в необходимых случаях, в баке-аккумуляторе 31 с помощью ТЭН-ов 33, большая часть солнечной энергии, не используемая для выработки электроэнергии ФЭП, идет на подогрев теплоносящей жидкости, выполненной на основе этиленгликоля, что позволяет ее использовать при низких температурах окружающего воздуха, теплоносящая жидкость, проходя по шестигранным трубам 2, расположенным под ФЭП 3, обеспечивает съем тепла с ФЭП, датчик температуры 29 через блок управления обеспечивает автоматическое включение насоса 35 на прокачку охлажденного теплоносителя, в случае если температура ФЭП достигает более 70°С, чем обеспечивается нормальный тепловой режим ее работы. При работе насоса 35 обратный клапан 39 закрыт.Подогретый под ФЭП теплоноситель по шестигранным трубам 6 попадает в солнечный коллектор 11, где подвергается дальнейшему нагреву солнечной энергией через теплоприемную медную пластину 7, покрытую черным хромом, обладающую высокой теплопоглощающей способностью, и далее по патрубку 9 и трубопроводу 36 нагретая теплоносящая жидкость подается в теплообменник 32 бака-аккумулятора 31, где происходит подогрев воды для потребителей. Охлажденный теплоноситель из теплообменника 32 через обратный клапан 39, при неработающем насосе 35, по трубопроводу 23 с патрубком путем естественного конвективного теплообмена поступает в шестигранные трубопроводы 2 и цикл замыкается. Прозрачные перегородки 4 отделяют зону интенсивного нагрева СК от зоны ФЭП, что не допускает дополнительного нагрева ФЭП. Сконцентрированное двояковыпуклой прямоугольной линзой оптически активным куполом 1 солнечное излучение попадает в полые световодные трубы 13 и, отражаясь от внутренней зеркальной поверхности через рассеиватель 17, проникает вовнутрь помещения, обеспечивая естественное освещение, при этом санируется освещаемая среда и обеспечиваются комфортные условия труда работников. В целях регулирования степени освещенности применяются круглые плоские горизонтальные заслонки 12, которые управляются кнопкой 21 с пульта управления 19, в пасмурное и вечернее время кнопкой 20 можно включить КСДЛ 17.
ФЭП, размещенные на внешней и внутренней поверхностях круглой плоской горизонтальной заслонки 12 позволяют вырабатывать электрическую энергию как в отрытом, так и в закрытом состояниях, даже при освещении помещения отраженный свет от работы КСДЛ, проходя по внутренней зеркальной поверхности полой световодной трубы 13, воздействует на ФЭП, расположенную на внутренней поверхности круглой плоской горизонтальной заслонки 12, при этом вырабатывается электроэнергия. Предусматривается также с помощью инвертора 25 обеспечение потребителей сетью 220 В 50 Гц. Надежное крепление МСЭУ на крыше 16 обеспечивается опорой с опорными стойками 22 и крепежной лентой 14, которая фиксируется на крыше 16 болтами 15. Повышению КПД МСЭУ по горячему водоснабжению способствует утеплитель 10, например, выполненный из стекловаты, наличие теплоотражающей пленки (фольги) 8, расположенной на внешней и внутренней поверхности утеплителя 10, а также наличие зеркальных поверхностей, расположенных по периметру СК под углом 135° к горизонту, последнее при высоком солнцестоянии обеспечивает повышение КПД СК на 3-5%.
Автоматическая работа МСЭУ осуществляется электронным блоком управления 26 (Фиг. 4) в следующем порядке: в режиме контроля температуры нагрева ФЭП 3 его датчик температуры 30 подает сигнал в электронный блок управления 26, где значение температуры сравнивается с заданным ограничением и, в случае ее превышения, включается насос 35, который прокачивает теплоносящую жидкость через шестигранные трубопроводы, проходящие под медной подложкой ФЭП, осуществляя ее охлаждение; в режиме контроля температуры в баке-аккумуляторе 31 датчик температуры 33 подает сигнал в электронный блок управления 26, где сигнал сравнивается с заданной температурой воды и, в случае необходимости подогрева воды, подключается АКБ к ТЭН-у; в режиме контроля освещенности датчик света 29, размещенный на выходе полой световодной трубы 13, подает сигнал в электронный блок управления 26, который подключает АКБ к КСДЛ 17, чем обеспечивается освещение помещения в сумеречное и вечернее время, одновременно с этим включается микродвигатель 28, который вращает вал 27, жестко закрепленный в круглой плоской горизонтальной задвижке 12, поворачивает ее в положение «закрыто», в этом положении отраженный свет от КСДЛ 17, проходя по внутренней зеркальной поверхности полой световодной трубы 13, попадает на внутреннюю поверхность круглой плоской горизонтальной заслонки 12, представляющую ФЭП, при этом вырабатывается электрическая энергия, которая запасается в АКБ 24. Управление положением круглой плоской горизонтальной заслонки 12 может осуществляться с пульта управления 19 с помощью кнопки 21, с этого же пульта можно вручную с помощью кнопки 20 включать или выключать КСДЛ 17 а кнопкой 40 насос.
Список цитируемых источников:
1. Патент SU №868109 от 30.09.1981.
2. Патент ФРГ №2750679 от 1979.
3. Патент RU №2141606 от 20.06.1986.
4. Патент RU №1687113 от 30.10.1991.
5. Патент США №5896713 от 27.04.1999.
6. Патент США №6936593 от 14.03.2000.