КОГЕНЕРАЦИОННАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТЕПЛОВАЯ СИСТЕМА
COGENERATION PHOTOELECTRIC THERMAL SYSTEM

Изобретение относится к области гелиотехники и предназначено для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения.
Известна гелиоустановка горячего водоснабжения, работа которой основана на термосифонном эффекте с использованием разности температур, содержащая солнечный тепловой коллектор, расположенный выше него бак-аккумулятор, прямой трубопровод, подающий воду из коллектора в бак, обратный трубопровод, отводящий воду из бака в коллектор, поплавок, размещенный в баке, патрубок слива горячей воды и регулятор расхода, причем как минимум участок прямого трубопровода выполнен гибким и конец его прикреплен к поплавку (патент на изобретение РФ RU 2006757, Гелиоустановка горячего водоснабжения от 10.07.1991).
К наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению можно отнести солнечные водонагреватели проточного типа, содержащие солнечный тепловой коллектор, трубопровод, по которому поступает жидкость в коллектор, трубопровод, по которому протекает жидкость из коллектора в бак-аккумулятор, в один из трубопроводов включен регулятор расхода, выполненный в виде дросселя с изменяемым проходным сечением (Танака С., Суда Р. Жилые дома с автономным солнечным теплоснабжением. - М.: Стройиздат, 1989, с.88, рис.3.1. д) и (Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / P.P. Авезов, М.А. Барский-Зорин, И.М. Васильева и др.; Под ред. Э.В.Саранцкого и С.А.Чистовича. -М.: Стройиздат. 1990. - 328 с.: ил., с.159, рис.6.6.а).
Недостатком таких установок является то, что дроссель не позволяет автоматически регулировать поток жидкости в зависимости от изменения солнечного излучения, приходящего на приемную поверхность солнечного теплового коллектора, а также то, что установка применяется только для производства тепловой энергии, и нет возможности использования приходящей солнечной радиации для выработки электроэнергии.
Задачей предлагаемого изобретения является производство одновременно электрической и тепловой энергии, а также повышение выработки электроэнергии батареей солнечных элементов (СЭ) фотоэлектрического теплового модуля, по сравнению с выработкой электроэнергии традиционным фотоэлектрическим модулем той же номинальной мощности.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность производства электроэнергии за счет фотоэлектрического теплового модуля и производства тепловой энергии за счет фотоэлектрического теплового модуля и солнечного теплового коллектора, что позволяет обеспечить энергоснабжение объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения. А помимо этого система двухступенчатого подогрева воды обеспечивает высокую выработку электроэнергии солнечными элементами, находящимися в близком к оптимальному режиму работы, за счет отвода от них тепловой энергии для подогрева жидкости в фотоэлектрическом тепловом модуле.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что фотоэлектрическая тепловая система содержит, по меньшей мере, один солнечный тепловой коллектор, трубопровод подачи жидкости в солнечный тепловой коллектор, трубопровод отвода жидкости из солнечного теплового коллектора в бак-аккумулятор (термос), при этом трубопровод подачи жидкости в солнечный тепловой коллектор соединен, по меньшей мере, с одним фотоэлектрическим тепловым модулем, расположенным уровнем ниже солнечного теплового коллектора и соединенным последовательно с ним, при этом подача жидкости в фотоэлектрический тепловой модуль осуществляется через трубопровод из напорного бака, установленного выше уровня солнечного теплового коллектора, по меньшей мере, в один из трубопроводов вмонтирован соленоидный клапан, имеется, по меньшей мере, одно термореле с индивидуальным для фотоэлектрического теплового модуля или солнечного теплового коллектора датчиком, причем управляющие контакты соленоидного клапана подключены и коммутируются с помощью термореле, при этом солнечный тепловой коллектор и фотоэлектрический тепловой модуль выполнены в виде приемников солнечного излучения, представляющих собой резервуары, которые имеют форму прямоугольного параллелепипеда, а на рабочей поверхности резервуара фотоэлектрического теплового модуля расположена батарея солнечных элементов, внутри резервуаров фотоэлектрического теплового модуля и солнечного теплового коллектора параллельно рабочей поверхности с зазором относительно ее расположена перегородка, не достигающая верхней и нижней стенки резервуара.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4 и 5.
На фиг.1 представлена схема фотоэлектрической тепловой системы.
На фиг.2 изображен фотоэлектрический тепловой модуль (вид с лицевой стороны).
На фиг.3 представлен поперечный разрез фотоэлектрического теплового модуля
На фиг.4 представлен продольный разрез фотоэлектрического теплового модуля
На фиг.5 изображены конструктивные особенности фотоэлектрического теплового модуля.
На фиг.6 изображены конструктивные особенности солнечного теплового коллектора.
Предлагаемая фотоэлектрическая тепловая система в качестве основных узлов содержит фотоэлектрический тепловой модуль 1 (фиг.1, 2, 3, 4 и 5), расположенный уровнем выше него солнечный тепловой коллектор 2, а также трубопровод 3, по которому поступает жидкость из фотоэлектрического теплового модуля 1 в солнечный тепловой коллектор 2. Уровнем выше солнечного теплового коллектора 2 расположен напорный бак 4, предназначенный для холодной жидкости. Система также содержит трубопровод 5, по которому из напорного бака 4 жидкость поступает в фотоэлектрический тепловой модуль 1, трубопровод 6, по которому жидкость затем протекает из солнечного теплового коллектора 2 в бак-аккумулятор 7 (термос), располагаемый ниже уровня напорного бака 4. В один из трубопроводов (3,5,6) вмонтирован соленоидный клапан 8, нормально закрытый. Рядом с фотоэлектрическим тепловым модулем 1 или с солнечным тепловым коллектором 2 размещено термореле 9, датчик 10 которого вмонтирован или в солнечный тепловой коллектор 2, или в фотоэлектрический тепловой модуль 1 рядом с выходным патрубком. На верхнем участке трубопровода 6 имеется воздушник 11, представляющий собой патрубок, конец которого расположен выше уровня напорного бака 4. Также система содержит вентили 12 и 13 для слива воды из фотоэлектрического теплового модуля 1 и солнечного теплового коллектора 2.
Фотоэлектрический тепловой модуль 1 выполнен в виде приемника солнечного излучения, представляющего собой батарею солнечных элементов 14, размещенную на рабочей (поглощающей) поверхности резервуара 15, который может иметь форму прямоугольного параллелепипеда (фиг.3, 4 и 5). Солнечный тепловой коллектор 2 выполнен в виде приемника солнечного излучения, представляющего собой схожий с фотоэлектрическим тепловым модулем 1 резервуар 15 (фиг.6). В резервуарах 15 фотоэлектрического теплового модуля 1 и солнечного теплового коллектора 2 параллельно поглощающей солнечное излучение поверхности с зазором (около 10 мм) относительно нее расположена перегородка 16, не достигающая верхней и нижней стенки резервуара. Перегородка 16 делит резервуар 15 на два плоских канала, позволяющих теплоносителю свободно циркулировать по образованному контуру внутри резервуара 15. Чтобы увеличить отвод тепла от СЭ к жидкости внутри резервуара, тыльная сторона рабочей панели может иметь ребристую форму, наподобие радиаторных пластин 17.
Тыльные и боковые поверхности солнечного теплового коллектора 2 и фотоэлектрического теплового модуля 1 могут иметь теплоизоляцию 18, также теплоизолированными должны быть наружные поверхности трубопроводов 3,6 и воздушник 11. Параллельно светопоглощающей поверхности резервуара 15 в солнечном тепловом коллекторе 2 должна размещаться светопрозрачная изоляция 19 с зазором около 25 мм.
В качестве материала, из которого должен быть выполнен резервуар 15, могут применяться металлы или различные полимеры, но наиболее подходящим для их изготовления является коррозионностойкий алюминиевый сплав, также стойкий к воздействию термоударов.
Предлагаемая фотоэлектрическая тепловая система работает следующим образом.
Из напорного бака 4 жидкость по трубопроводу 5 поступает в резервуар 15 фотоэлектрического теплового модуля 1, благодаря разноуровневому размещению бака и модуля. При этом процессе соленоидный клапан 8 принудительно через термореле 9 находится в открытом состоянии. После заполнения жидкостью резервуаров 15 фотоэлектрического теплового модуля 1 и солнечного теплового коллектора 2 соленоидный клапан 8 закрывается, также принудительно через термореле 9, после этого система готова к работе. Рабочие поверхности фотоэлектрического теплового модуля 1 и солнечного теплового коллектора 2 должны быть ориентированы по нормали к солнечному излучению в полдень.
В фотоэлектрическом тепловом модуле 1 под воздействием солнечного излучения одновременно происходят два основных процесса. Первый - преобразование энергии солнечного излучения в электричество с помощью батареи солнечных элементов 14. Второй - нагрев жидкости в баке за счет теплообмена, возникающего между батареей солнечных элементов 14 и жидкостью в резервуаре 15, поскольку в структуре солнечных элементов 14 образуется существенная тепловая энергия, так как не вся поглощенная фотопреобразователями энергия солнечного излучения участвует в генерации электричества.
Вследствие температурного градиента у нагретой поверхности резервуара 15 под воздействием солнечного излучения образуется восходящий конвективный слой более нагретой жидкости, в то время как слой менее нагретой жидкости вдоль тыльной стороны резервуара 15 движется вниз. Таким образом, происходит естественная циркуляция жидкости в резервуаре 15, а наличие перегородки 16 способствует образованию устойчивого восходящего слоя у нагретой поверхности. Ребристая структура тыльной поглощающей поверхности резервуара 15 увеличивает площадь поверхности, отводящей тепло к жидкости, таким образом, увеличивает теплообмен.
В солнечном тепловом коллекторе 2 происходят процессы, аналогичные процессам, происходящим в фотоэлектрическом тепловом модуле 1 за исключением отсутствия прямого преобразования солнечного излучения в электричество, поскольку отсутствуют СЭ, и вследствие этого поглощение солнечного излучения происходит непосредственно поверхностью резервуара 15.
При нагреве жидкости в резервуарах 15 фотоэлектрического теплового модуля 1 до заданной на термореле 9 температуры открывается соленоидный клапан 8, и холодная жидкость из напорного бака 4 поступает в резервуар 15, вытесняя нагретую жидкость из резервуара фотоэлектрического теплового модуля 1 в резервуар солнечного теплового коллектора 2 через трубопровод 3. Из резервуара 15 солнечного теплового коллектора 2 нагретая жидкость поступает по трубопроводу 6 в бак-аккумулятор 7 (термос). Течение жидкости по контуру от напорного бака 4 до бака-аккумулятора 7 осуществляется, пока ее температура не опустится ниже определенного уровня, и не сработает датчик 10, подав сигнал на термореле 9, которое разомкнет управляющий сигнал соленоидного клапана 8, тем самым остановив движение жидкости по контуру.
При первом срабатывании соленоидного клапана 8 жидкость, наполняющая бак-аккумулятор 7, имеет невысокую температуру (при условии, что датчик 10 установлен на фотоэлектрическом тепловом модуле 1). При последующих срабатываниях ее температура увеличивается, и система выходит на основной режим работы, в ходе которого температура жидкости, поступающей в бак-аккумулятор, постоянна и в основном зависит от технических характеристик фотоэлектрического теплового модуля 1, солнечного теплового коллектора 2 и может регулироваться за счет значения температуры, установленной на термореле 9. Преимущество такой системы заключается в режиме работы, при котором функционирует фотоэлектрический тепловой модуль 1. Согласно которому фотоэлектрический тепловой модуль 1 обеспечивает подогрев жидкости для ее дальнейшего нагрева в солнечном тепловом коллекторе 2. Такое техническое решение обеспечивает повышенный отвод от батареи СЭ 14 излишней тепловой энергии и подогрев холодной жидкости, поступающей из напорного бака 4.
Фотоэлектрическая тепловая система может также работать без солнечного теплового коллектора, но при этом производство электроэнергии фотоэлектрическим тепловым модулем сократится в связи с повышением рабочей температуры СЭ при эксплуатации системы.
Вместо напорного бака 4 в фотоэлектрической тепловой системе можно использовать централизованную систему водоснабжения.
Вентили 12 и 13 позволяют сливать жидкость из фотоэлектрического теплового модуля 1 и солнечного теплового коллектора 2 перед проведением профилактических работ или при подготовке к зимнему периоду.