Водонагревательная установка на основе гелиоконцентратора
WATER-HEATING INSTALLATION BASED ON SOLAR CONCENTRATOR

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение как в солнечных электростанциях, так и в качестве энергетической установки индивидуального пользования.
Известен модульный гелиоконцентратор (заявка на патент РФ №2012117377, 27.04.2012), содержащий плоские пластины со свето- и ИК-отражающим покрытием, скомпонованные единым блоком, отличающийся тем, что отштампованные модули, с заранее заданным положением фокуса, выполнены с возможностью фиксации их в одной плоскости, при этом фокусы всех модулей совмещены в одной зоне.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Также известна солнечная энергетическая установка (Патент РФ № 2377472, опубликовано: 27.12.2009, бюл. № 36), состоящая из отдельных одинаковых модулей с панелью гелиоконцентраторов и панелью фотоэлементов. Механическая система содержит привод азимутального вращения и приводы зенитального вращения и оснащена устройством контроля положения Солнца. Модули расположены на механической системе параллельными рядами вплотную друг к другу в каждом ряду. Солнечная батарея соединена по меньшей мере с одним приводом зенитального вращения и одним приводом азимутального вращения. Изобретение должно обеспечить уменьшение ветровых нагрузок при сохранении упрощенной конструкции и высокой эффективности преобразования солнечной энергии в электричество.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Известен гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций (Патент РФ № 2344353, опубликовано: 20.01.2009, бюл. № 2), включающий теплоаккумулирующую емкость, размещенную, по меньшей мере, частично, в котловане грунтовой поверхности, заполненную преимущественно щебнем как теплоаккумулирующим материалом, днище, стенки и верхнее покрытие которой выполнены из жесткого пенистого теплоизолирующего материала, а в качестве транспортируемого теплоносителя применены воздух или вода.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Известна солнечно-ветровая водонагревательная установка (Патент РФ № 2386907, опубликовано: 20.04.2010, бюл. №11), состоящая из секционного теплообменника типа «труба в трубе», вертикального секционного теплогенератора, вал которого вращает ветродвигатель, размещенных в помещении, на крыше которого установлена водяная емкость, связанная гидравлически прямым и обратным трубопроводами с ними. Теплообменник установлен за лучепрозрачным экраном с южного фасада здания, сзади которого размещен теплогенератор, имеющий нижнюю - теплогенерирующую, среднюю - теплоаккумулирующую и верхнюю - насосную секции. Рабочее колесо насосной секции, прикрепленное к валу теплогенератора, по трубопроводам прокачивает воду через теплообменник, емкость и обратно в насосную секцию. Нагретая вода в емкости расходуется на нужды потребителя, с поддержанием в ней постоянного объема поплавковым регулятором уровня, связанным с системой холодного водоснабжения. Изобретение позволит комбинировать известное оборудование для обеспечения нагрева воды, используя солнечную и ветровую энергии.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Известна солнечная водонагревательная установка (Патент РФ № 2615619), состоит из солнечного коллектора и опорной конструкции, закрепленной на стене здания, на которой размещен солнечный коллектор, соединенный входным и выходным патрубками с баком-аккумулятором, опорная конструкция выполнена из нескольких дугообразных труб, по крайней мере, двух, верхние концы труб соединены между собой горизонтально стержнем и прикреплены к стене, нижние концы труб также соединены между собой горизонтально стержнем, на трубы установлены рельсы из с-профиля, на каждую рельсу установлено по два колеса, соединенных между собой вертикальными и горизонтальными стержнями, образующими раму для установки солнечного коллектора, к горизонтальным стержням прикреплена тяговая цепь, проходящая через блоки, установленные на стержнях опорной конструкции, регулирующая звездочка. Опорная конструкция для установки солнечного коллектора позволяет регулировать угол наклона солнечного коллектора относительно положения солнца над горизонтом в течение года.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Известна солнечная водонагревательная  панель (Патент РФ № 133909), содержащая алюминиевый корпус L-образной формы; прозрачную теплоизолирующую переднюю стенку, выполненную из сотового поликарбоната; боковые зеркала с отражающей поверхностью параболического профиля, установленные по периметру солнечного коллектора под углом 110-120° к плоскости солнечной водонагревательной панели, расположенные между прозрачной теплоизолирующей передней стенкой и размещенной внутри корпуса алюминиевой теплопоглощающей панелью; алюминиевую теплопоглощающую панель, выполненную с впадинами и выпуклостями, имеющими форму трапеции, внешняя поверхность которой имеет высокоселективное покрытие, поглощательная способность которого должна быть не менее 90%-95%; квадратные алюминиевые трубы, установленные сверху и снизу алюминиевой теплопоглощающей панели; нижнюю и верхнюю квадратные прямоугольные алюминиевые коллекторные трубы; заднюю алюминиевую стенку, внутренняя и наружная стороны которой покрыты теплоизолирующей краской, причем внутренняя сторона задней алюминиевой стенки поверх теплоизолирующей краски покрыта светоотражающей фольгой; втулки-фланцы, с помощью которых соединяются квадратные алюминиевые трубы с нижней и верхней квадратными прямоугольными алюминиевыми коллекторными трубами; входные и выходные патрубки, закрепленные в торцах заглушек нижней и верхней прямоугольных алюминиевых коллекторных трубах с помощью резьбовых соединений; заднюю теплоизолирующую панель, выполненную из сотового поликарбоната толщиной 4 мм; теплоносящую жидкость (вода или незамерзающая жидкость на основе этиленгликоля), которой заполняются квадратные алюминиевые трубы, установленные сверху и снизу алюминиевой теплопоглощающей панели, а также прямоугольные алюминиевые коллекторные трубы; алюминиевую стружку, которой заполняется все свободное пространство под алюминиевой теплоприемной панелью, что повышает теплоемкость и КПД СВНП; нижние полки алюминиевого корпуса L-образной формы, которые на стыках имеют специальные фигурные пазы, улучшающие технологичность сборки этого корпуса; алюминиевые треугольники, которые накладываются на стыки нижних полок алюминиевого корпуса L-образной формы в целях придания ему жесткости.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Известна водонагревательная и электрогенерирующая установка на солнечной энергии (Патент РФ № 2643262), включает раму заранее определенной площади, установленную на поверхности крыши и стены здания, множество монтируемых на указанной раме генераторов, предназначенных для улавливания солнечного излучения и преобразования его в электроэнергию, и устройство горячего водоснабжения, встроенное в раму и предназначенное для нагрева и подачи горячей воды за счет поглощаемого солнечного излучения, при этом устройство горячего водоснабжения включает водосборник малой емкости, установленный на крыше здания под генератором и предназначенный для сбора нагреваемой воды, водонагревательную трубку, соединенную с водосборником малой емкости, расположенную под ленточным солнечным коллектором и покрытую снаружи теплопоглощающей пленкой, а генератор включает корпус, ленточный солнечный коллектор, размещенный внутри корпуса, наружная поверхность которого покрыта солнечными фотоэлементами, приводной механизм, обеспечивающий тяговое усилие для разворачивания или сворачивания ленты солнечного коллектора, аккумуляторную батарею для накопления электричества, генерируемого солнечными элементами, и регулятор управления приводным механизмом. Изобретение должно обеспечить горячее водоснабжение, отопление и выработку небольшого количества электроэнергии зимой и выработку электроэнергии для охлаждения воздуха летом. Установка устанавливается на единой раме на крыше или стене дома.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Известна солнечная водогрейная котельная (Патент CN207350852 (U) - 2018-05-11). В полезной модели предусмотрена солнечная водонагревательная котельная установка, оснащенная солнечным водонагревательным устройством, солнечное водонагревательное устройство, оснащенное резервуаром для хранения воды и трубой солнечной энергии, труба солнечной энергии поглощает солнечную энергию и нагревает воду в накопительной воде. резервуар, солнечное водонагревательное устройство проходит через конвейерную трубу и котел взаимно подключен, солнечное водонагревательное устройство подает горячую воду к котлу, другое устройство автоматического водоснабжения котла, которое снабжено котлом. Быть обеспеченным солнечным водонагревателем на соседнем котле, может обеспечить горячую воду для котла, снизить энергию потребления воды для отопления котла, сыграть эффект экономии энергии, уменьшить загрязнение окружающей среды котла, позволить использовать более высокую эффективность больше котла.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Известна солнечная водонагревательная установка с использованием утилизации остаточного тепла (Патент CN206145761 (U) - 2017-05-03). В полезной модели раскрыта утилизация остаточного тепла с использованием солнечной водонагревательной отопительной установки, включающей нагревательную плиту, верхняя поверхность нагревательной пластины снабжена нагревательной трубой, снабжена портом подачи и подводом воды на нагревательной трубе, портом подачи и горячим подключен водопровод, подсоединены водозаборник и трубопровод холодной воды, другой конец и резервуар для воды линии горячей воды соединены, другой конец трубы холодной воды соединен с выходом второго водяного насоса, входом и резервуаром для воды второй водяной насос подключен, эта рециркуляция остаточного тепла использует солнечную водонагревательную отопительную установку, может использовать солнечную энергию для отопления помещений, крышка снабжена графитовой пластинкой на отопительной трубе, может эффективно поглощать входящую отопительную трубу тепло, которое испускает солнце, высокая эффективность, хорошие эффекты, внешняя проводящая полоса, которая устанавливает теплообменную трубку, может осуществлять теплообмен с окружающей средой посредством эффективного посланника теплообменная трубка, пена для теплоизоляции наружного костюма дорожки качения эффективно предотвращает рассеивание и исчезновение тепла на пути, также может искусственно регулировать угол нагревательной пластины, перпендикулярно положительному углу облучения солнечным светом, чтобы сделать ее, Оцените выше использование солнечной энергии.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Кроме того, поворот осуществляют только в одной плоскости. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Известна солнечная водонагревательная система, устанавливаемая на заводе водопроводной воды, (Патент CN104654603 (A) - 2015-05-27) Изобретение раскрывает систему солнечного нагрева воды, установленную на заводе водопроводной воды. Солнечная водонагревательная система содержит резервуар I для хранения воды, расположенный на крыше здания водопроводной воды, циркуляционный трубопровод и множество солнечных водонагревателей щелевого типа, расположенных на циркуляционном трубопроводе, где насос с постоянным расходом и оборотная вода насос расположен на циркуляционном трубопроводе; резервуар для хранения воды I соединен с циркуляционным трубопроводом и трубопроводом водопроводной воды; резервуар I для хранения воды соединен с резервуаром II для хранения воды через водопровод I; резервуар для хранения воды II соединен с трубопроводом для отвода воды II; расходомер жидкости расположен на выпускном трубопроводе II для воды. Солнечная водонагревательная система проста по конструкции, разумна по конструкции, удобна в реализации, экономит место, экономит энергию, обладает высокой практичностью и удобна для популяризации и использования.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что данная установка предусмотрена для работы с традиционными системами нагрева непосредственно воды (газовые, электрические) в качестве дополнения к ним. Кроме того, поворот осуществляют только в одной плоскости. Как следствие, снижение эффективности при перемещении солнца по азимуту и при работе в холодное время года из-за риска промерзания труб.
Технической проблемой является необходимость разработки конструкции установки, позволяющей получать горячую воду для ГВС (горячее водоснабжение), а также отопления зданий и сооружений.
Технический результат заключается в снижении энергозатрат на нагрев воды.
Изобретение поясняется чертежом: фиг. - функциональная схема заявляемой водонагревательной установки.
Гелиоконцентраторы можно условно разделить на две группы - точечные и линейные. К точечным относятся те устройства, в которых отраженные лучи собираются в одну условную фокальную точку - пятно. В линейных концентраторах при помощи параболоцилиндрического отражателя лучистая энергия концентрируется в фокальной линии, по оси которой размещается труба для движения теплоносителя. Температура теплоносителя в них может достигать 300-400°С.
y
=2px
p
2
В качестве основного элемента водонагревательной установки был выбран гелиоконцентратор 1 в форме параболоцилиндрического отражателя с фокусным расстоянием, обеспечивающим направление максимума солнечного света, на нагреваемые трубы коллектора, например, в 150 мм (в целях создания компактного размещения всех составляющих элементов установки). Каноническое уравнение параболы гелиоконцентратора имеет вид: , где  - расстояние от фокуса до директрисы параболы и называется фокальным параметром параболы.
Предпочтительным материалом для создания цилиндрического параболоида гелиоконцентратора 1 является листовой металл с зеркальным пленочным покрытием (минимальное время на обслуживание, материал устойчив к атмосферным осадкам в виде дождя, снега, града).
Водонагревательная установка содержит блок гелиоконцентраторов 1, смонтированных на едином коллекторе 2 с возможностью фиксируемого вращения для отслеживания азимутального перемещения солнца; коллектор 2 выполнен в виде стальной бесшовной трубы (например, по ГОСТ 8732-78 с) герметичной полостью для перемещения теплоносителя с патрубками-отводами 7 стальными 90° (например, по ГОСТ17375-2001), фланцами 4 (например, стальной плоский по ГОСТ 12820-80). Собранный в единое целое коллектор 2, представляет собой прямоугольную конструкцию, внутри которой с определенной последовательностью, смонтированы дополнительные поперечные трубы 5. В противоположные боковые трубы коллектора 6, на расстоянии  длинны трубы, смонтированы 2 патрубка 7 (по одному на каждую сторону) из стальной трубы того же диаметра что и труба коллектора. На свободном конце каждого из патрубков 7, смонтирован плоский фланец 4. В каждый из патрубков 7 вмонтирован по одному дополнительному, соединительному фитингу-сгону 8. Сгоны обеспечивают соединение (через гибкую подводку) коллектора 2 с прямым и обратным гидравлическим трубопроводом 9, подключенном к змеевику емкости-накопителя 10, устанавливаемой в помещении и заполняемой нагреваемой водой. На выходе емкости накопителя 10 установлен циркуляционный насос (на чертеже условно не показан).
Коллектор 2 выполняет две функции: придает жесткость всей конструкции, а также является трубопроводом, внутри которого циркулирует теплоноситель.
В качестве теплоносителя предполагается использование незамерзающей жидкости произведенной на основе экологически безопасного сырья - пищевого пропиленгликоля или воды.
Соединения всех элементов, входящих в состав коллектора, выполняется с обеспечением герметичности конструкции, например, методом электродуговой сварки.
Коллектор 2 установлен на станине 3, которая представляет собой объемно-пространственную сварную конструкцию. Оптимальная проекция станины на горизонтальную плоскость представляет собой прямоугольник. На каждом, из коротких, участков прямоугольника смонтированы по одной вертикальной стойке, в верхней части стойки установлена горизонтальная планка. Планка необходима для последующего монтажа на ней опорно-поворотного узла. Высота стойки, в сочетании с опорно-поворотным узлом, должна обеспечивать свободное вращение коллектора, относительно и станины. Опорно-поворотный узел предназначен для отслеживания зенитного перемещения солнца и состоит из следующих комплектующих: подшипник качения, корпус подшипника, полуось с фланцем. Опорно-поворотный узел монтируется и крепится болтовым соединением к горизонтальной планке стойки станины. Через ответный фланец и, с помощью болтового соединения, опорно-поворотный узел соединяется с коллектором.
Создание цилиндрического параболоида гелиоконцентратора 1 обеспечивают набором в единый блок элементов с соответствующим параболическим профилем. Элементы профиля могут быть изготовлены из профильной стальной трубы, древесины (фанеры), полимерных материалов. Сборку отдельных элементов в блок цилиндрического параболоида осуществляют в стапеле. На заключительном этапе в собранный блок монтируют листовой металл (полированный алюминий либо нержавеющий лист с пленочным, зеркальным покрытием).
Собранные отражатели, с помощью кронштейнов, встраивают в коллектор 2 таким образом, что дополнительные поперечные трубы 5 находились на фокусном расстоянии от параболического профиля гелиоконцентратора 1.
Принцип работы установки.
Теплоноситель (пищевой пропиленгликоля или воды) циркуляционным насосом, прокачивают через внутренние полости коллектора 2, в котором теплоноситель нагревается за счет тепла солнечной энергии, сконцентрированной гелиоконцентратором 1 на трубах коллектора 2. Затем теплоноситель по системе гидравлических трубопроводов поступает в теплообменник (на чертеже условно не показан), размещенный внутри накопительной, термоизолированной емкости 10, в которой происходит передача полученной теплоты от теплоносителя воде. Размещение накопительной емкости предусмотрено внутри помещения. После передачи тепловой энергии от теплоносителя воде, теплоноситель вновь поступает в коллектор водонагревательной установки и цикл повторяется.
Нагретую воду в емкости 10 расходуют на нужды потребителя с поддержанием в ней постоянного объема поплавковым регулятором уровня, связанным с системой холодного водоснабжения.
Основные преимущества гелиоконцентратора.
К основным достоинствам гелиоконцентратора подобного типа можно отнести следующее:
- оригинальность и простота конструкции;
- использование материалов только отечественного производства;
- доступность расходных материалов;
- способность коллектора вращаться относительно станин установки обеспечивает контроль за зенитальным положением Солнца;
- способность вращения цилиндрический параболоид гелиоконцентратора относительно дополнительных, поперечных труд коллектора, обеспечивает контроль за азимутальным перемещением Солнца.
Таким образом, создаются условия для более полного и оптимального сбора солнечного излучения всего светового дня.
Пример.
2
Разработана установка, в которой была выбрана форма отражателя гелиоконцентратора в виде параболоида с фокусным расстоянием 150 мм (в целях создания компактного размещения всех составляющих элементов установки), температура теплоносителя в первом контуре будет сознательно ограничена температурой до +115°С (ограничения связаны с работой циркуляционного насоса). Представленная на рассмотрение установка в состоянии произвести свыше 500 литров горячей воды в час (температурой воды +70°С). Предварительная себестоимость производства одного гелиоконцентратора с блоком параболоцилиндрических отражателей (с суммарной площадью отражателей 3,6 м) оценивается в 64000 рублей. Изготовление отражателя параболической формы, обеспечение поворота конструкции для азимутального и зенитного перемещений солнца, размещение накопительной емкости внутри помещения обеспечивают снижение энергозатрат на нагрев воды.