ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНАЯ И ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА НА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
WATER-HEATING AND POWER-GENERATION PLANT ON SOLAR ENERGY

Область техники
Изобретение относится к нагревательной и электрогенерирующей установке, преобразующей энергию солнечного света для обеспечения горячего водоснабжения, отопления и выработки небольшого количества электроэнергии зимой и выработки электроэнергии для охлаждения воздуха летом с возможностью трех вариантов реализации системы, устанавливаемой на единой раме на крыше или стене дома.
Известный уровень техники
Солнечная энергия используется активнее других альтернативных источников энергии в силу ее экологичности и неограниченной возобновляемости, поскольку тепло и электроэнергию получают из света. С помощью батарей солнечных элементов энергию солнечного излучения можно преобразовывать в электричество, использовать для нагрева воды для отопления и повседневных нужд. Поэтому в настоящее время ведется работа по широкому спектру исследований и промышленному внедрению разработок в солнечной энергетике.
Чаще всего солнечную энергию используют в водонагревательных системах и в электрозарядных устройствах от солнечных элементов.
Система водонагрева на основе солнечного света включает коллектор солнечного излучения, устанавливаемый на крыше, за счет теплоты которого нагревается трубка водогреющего змеевика, накопительную емкость и циркуляционный насос. Таким образом, зимой, в период активного отопления и потребления горячей воды, водонагревательная система на солнечной энергии обеспечивает снижение расхода электроэнергии, одновременно сохраняя окружающую среду. Летом, когда интенсивность отопления и потребления горячей воды резко снижается, система водонагрева на основе солнечного света практически не используется, в силу чего оборудование и занимаемое им пространство простаивают.
Раскрытие изобретения
В изобретении сделана попытка исправить указанные технические недостатки. Целью изобретения является нагревательная и электрогенерирующая установка, преобразующая солнечную энергию для обеспечения горячего водоснабжения, отопления и выработки некоторого количества электроэнергии зимой и выработки электроэнергии для охлаждения воздуха летом, способствующая при этом энергосбережению и охране окружающей среды.
Для достижения указанных выше целей предложена нагревательная и электрогенерирующая установка на солнечной энергии, конструкция которой включает: раму, устанавливаемую на крыше и на поверхности стены здания и занимающую определенную площадь; несколько монтируемых на указанной раме генераторов, предназначенных для улавливания солнечного излучения и преобразования его в электричество; и устройство горячего водоснабжения, встроенное в раму и предназначенное для нагрева и подачи горячей воды за счет поглощаемого солнечного излучения.
Генератор включает: корпус; ленточный солнечный коллектор внутри корпуса, наружная поверхность которого покрыта солнечными фотоэлементами; приводной механизм, обеспечивающий тяговое усилие для разворачивания или ленточного солнечного коллектора; аккумуляторную батарею для накопления электричества, генерируемого солнечными элементами; и регулятор для управления приводным механизмом.
Ленточный солнечный коллектор (выполненный в виде шторы) включает планшетную часть, на которой закреплены солнечные фотоэлементы; сквозную часть, открытую для прямого прохождения солнечного света, и фаловую часть, проходящую вдоль обоих краев планшетной части и сквозной части и соединяющую их между собой и с приводным механизмом.
Приводной механизм, снабженный первым и вторым валами, установленными на расстоянии друг от друга, соответствующем длине планшетной части и фаловой части ленточного солнечного коллектора; и первый и второй электродвигатели, которые, вращая первый и второй валы, сворачивают или разворачивают штору ленточного солнечного коллектора.
Устройство горячего водоснабжения включает: водосборник малой емкости, устанавливаемый на крыше здания под генератором и предназначенный для сбора [нагреваемой] воды; U-образный трубчатый водогрейный змеевик, имеющий с одной стороны наливное и сливное отверстия, сообщающиеся с водосборником малой емкости; и накопитель горячей воды большой емкости, сообщающийся через трубу с водосборником малой емкости.
Трубка водогрейного змеевика расположена вдоль нижней части корпуса, под ленточным солнечным коллектором, и покрыта снаружи теплопоглощающей пленкой.
Трубка водогрейного змеевика установлена наклонно [в сторону U-образного изгиба] таким образом, что холодная вода, поступающая через наливное отверстие, нагревается и превращается в теплоноситель, который, циркулируя, поднимается к сливному отверстию и через него поступает в водосборник малой емкости.
С нижней стороны раму обшивают кровельными панелями, выполненными из светопроницаемого материала с хорошей теплоизолирующей и светоулавливающей способностью, полотно каждой панели содержит наполнитель из теплоизоляционного материала, встроенную водонагревательную трубку и имеет внутреннюю полость.
Конструкция генератора включает корпус, монтируемый в ячейку установочного пространства рамы; штора ленточного солнечного коллектора внутри корпуса, наружная поверхность которой покрыта солнечными фотоэлементами; приводной механизм, генерирующий тяговое усилие для разворачивания или сворачивания шторы ленточного солнечного коллектора; аккумуляторная батарея для накопления и хранения электричества, генерируемого солнечными элементами; и регулятор для управления приводным механизмом.
В состав генератора входят: множество солнцеулавливающих пластин, покрытых с наружной стороны солнечными элементами, подвижно устанавливаемых с внешней стороны каждой из множества водонагревательных трубок; приводной механизм, генерирующий тяговое усилие для выбора положения множества солнцеулавливающих пластин между верхней и нижней частями водонагревательных трубок путем вращения и перемещения солнцеулавливающих пластин; аккумуляторную батарею для накопления электричества, генерируемого солнечными элементами; и регулятор для управления приводным механизмом.
Преимущества изобретения
Изобретение обеспечивает возможность выработки из энергии солнечного света регулируемого количества электроэнергии для хозяйственных нужд, включая нагрев воды для горячего водоснабжения, отопления в холодное время или кондиционирования воздуха в жару и за счет этого - энергосбережение и охрану окружающей среды.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 и 2 показан общий вид нагревательной и электрогенерирующей установки на солнечной энергии по изобретению.
На фиг. 3  в поперечном разрезе показан генератор нагревательной и электрогенерирующей установки на солнечной энергии в соответствии с первым вариантом конструкции по изобретению.
На фиг. 4 в плане показан генератор нагревательной и электрогенерирующей установки на солнечной энергии в соответствии с первым вариантом конструктивного решения по изобретению.
На фиг. 5 дана схема второго варианта конструктивного решения генератора по изобретению.
На фиг. 6 дана схема третьего варианта конструктивного решения генератора по изобретению.
Позициями на чертежах обозначены:
1: рама
2: генератор
3: устройство горячего водоснабжения 4: направляющая
5: кровельно-облицовочная панель
22: штора ленточного солнечного коллектора
31: трубка водогрейного змеевика
Р: панель
С: солнцеулавливающая пластина
Наилучшие способы осуществления изобретения
Примеры предпочтительных вариантов осуществления изобретения подробно описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Первый вариант осуществления
На фиг. 1 и 2 показан общий вид нагревательной и электрогенерирующей установки на солнечной энергии по изобретению. На фиг. 3 в поперечном разрезе показан генератор нагревательной и электрогенерирующей установки на солнечной энергии в соответствии с первым вариантом конструктивного решения по изобретению.
На фиг. 4 в плане показан генератор нагревательной и электрогенерирующей установки на солнечной энергии в соответствии с первым вариантом конструктивного решения по изобретению.
Вариант "А" реализации нагревательной и электрогенерирующей установки на солнечной энергии по изобретению включает: раму 1, устанавливаемую на поверхности крыши и стен здания, занимающую определенную площадь; множество генераторов 2, монтируемых на раме 1 и предназначенных для улавливания солнечного излучения и выработки электрической энергии; и устройство горячего водоснабжения 3, устанавливаемое под рамой 1 и предназначенное для нагрева и подачи горячей воды за счет поглощаемого солнечного излучения.
Рама 1, устанавливаемая на всей площади крыши в виде решетчатой конструкции, внешне напоминающей доску для игры ГО. Решетчатая конструкция рамы 1 позволяет использовать множество ячеек установочного пространства 10 для размещения генераторов 2.
Рама 1 имеет прямоугольную форму, что соответствует общепринятой прямоугольной форме крыши, при этом каждая ячейка установочного пространства 10 также представляет собой прямоугольник.
Генератор 2, как правило, используемый в летнее время, когда при высоком потреблении электроэнергии редко используют отопление или горячую воду.
Поскольку отопительную и водонагревательную функции летом задействуют редко, генератор 2 на солнечных элементах в основном используют для выработки электричества.
Генераторы 2 размещают по одному в каждой установочной ячейке 10 рамы 1 в расчетном количестве, зависящем от необходимого объема вырабатываемой электроэнергии.
Генератор 2 согласно варианту конструктивного решения по изобретению включает: корпус 21, монтируемый в ячейку установочного пространства 10 рамы 1; встроенный в корпус 21 ленточный солнечный коллектор 22, на внешней поверхности которого закреплены солнечные элементы; устройство привода для приведения в движение в одном или другом направлении шторы ленточного солнечного коллектора 22; аккумуляторную батарею 24 для накопления электричества, выработанного солнечными элементами; и регулятор 26 для управления устройством привода.
Корпус 21 выполнен в форме полого прямоугольного параллелепипеда и снабжен разъемом для соединения с другим корпусом.
Например, каждый корпус 21 может иметь на внешней поверхности выступ и углубление заданной длины для присоединения и подключения другого корпуса. Корпусы могут быть соединены между собой контактными штырями.
Конструкция крепления и подсоединения корпуса 21 предусматривает защиту установки от повреждения во время землетрясения.
Ленточный солнечный коллектор 22 включает планшетную часть 221 (в виде шторы), на внешней поверхности которой закреплены тонкопленочные солнечные фотоэлементы расчетной площади для улавливания солнечного излучения, сквозную часть 222, представляющую собой просвет, через который проходит солнечный свет, и фаловую (натяжную ременную) часть 223, выполненную вдоль обеих сторон просвета 222, несущую планшетную часть 221.
По мере того, как штора ленточного солнечного коллектора 22 перемещается в прямом или обратном направлении за счет привода от электродвигателя, планшетная часть 221, к которой прикреплены солнечные элементы, разворачивается или сворачивается. Когда солнцеколлекторная штора 22 свернута, солнечный свет падает непосредственно на устройство горячего водоснабжения 3.
На фиг. 3 и 4 приводной механизм в одном из вариантов реализации включает первый и второй валы 61 и 62, установленные относительно друг друга на расстоянии развернутой планшетной части 221 и входящие в зацепление с фаловой частью 223 ленточного солнечного коллектора 22, и первый и второй электродвигатели 63 и 64, предназначенные для сворачивания или разворачивания солнцеколлекторной ленты 22 путем вращения в прямом или обратном направлении первого и второго валов 61 и 62.
Рассмотренный выше пример приводного механизма не является ограничительным и может представлять собой любую модификацию механизма, обеспечивающего тяговое усилие для сворачивания и разворачивания шторы солнечного коллектора 22.
Управление первым и вторым электродвигателями 63 и 64 может осуществляться пользователем из помещения с помощью регулятора 26.
Предпочтительно двигатель снабжен зубчатой передачей для обеспечения точной регулировки вращения.
Изобретение может также использоваться только для горячего водоснабжения зимой.
Когда штора солнечного коллектора 22 генератора 2 свернута, солнечный свет проходит через сквозную часть 222, напрямую нагревая воду.
Устройство горячего водоснабжения 3 включает водосборник малой емкости 32, устанавливаемый под генератором 2 на крыше здания, подковообразную трубку водогреющего змеевика 31, имеющую с одной стороны наливной и сливной концы, выходящие в водосборник 32, и водонакопитель большой емкости 36 для хранения горячей воды, сообщающийся с водосборником малой емкости 32.
Водогрейный змеевик 31, покрытый снаружи черной теплопоглощающей пленкой, расположен внутри корпуса 21, под ленточным солнечным коллектором 22.
Когда штора солнечного коллектора 22 находится в свернутом состоянии, ее планшетная часть 221, несущая солнечные фотоэлементы, намотана на первый вал 61, при этом солнечный свет свободно проходит через развернутую сквозную часть 222, падая на водогрейный змеевик 31, нагревая его и воду в нем.
Водогрейный змеевик 31 предпочтительно расположен наклонно для обеспечения циркуляции воды внутри него по принципу перепускной трубки.
А именно, холодная вода, поступая через наливное отверстие трубки водогрейного змеевика 31, нагревается лучистой теплотой солнечного света и превращается в теплоноситель, который, циркулируя под действием постоянно поступающей холодной воды, переполняет змеевик и выливается через сливное отверстие в водосборник малой емкости 32.
Для обеспечения общей циркуляции воды внутри малого водосборника 32 и большого водонакопителя 36 между ними установлено сообщение через трубу (не показано).
Кровельное покрытие для защиты внутренних помещений от прямого проникновения извне дождя, снега и ветра настилается с нижней стороны рамы 1.
Кровля собирается путем стыковки множества кровельных панелей 5 с высокими теплоизоляционными и светопропускающими свойствами.
Полотно 51 кровельной панели 5 выполнено из светопроницаемого материала с высокой светопропускающей способностью и теплоизолирующего наполнителя и содержит встроенную водонагревательную трубку 52. Кроме этого, внутри полотна 51 выполнена полость 53, удваивающая эффекты теплоизоляции и теплоудержания.
Прослойка воздуха в полости 53 помогает сохранять достигнутый уровень тепла внутри помещения, а термоизолирующие свойства препятствуют проникновению в помещение холодного воздуха извне.
Водонагревательная трубка 52, встроенная в кровельную панель 5, может быть расположена в один ряд или в два ряда и соединена с водяным резервуаром (не показано). При варианте компоновки водонагревательной трубки 52 в один ряд светопроницаемость может быть повышена, что способствует улучшению интерьерных качеств помещения.
По краям каждой кровельной панели 51 выполнены стыковочные элементы для соединения панелей между собой.
Примером может являться шпунтовое соединение 5, при котором продольные выступы 58 по бокам одних кровельных панелей 5а входят в соответствующие им по форме и размерам пазы 59 других панелей 5b, образуя сплошной кровельный настил из плит 51.
Для получения герметичного соединения на стыкуемые поверхности выступа 58 кровельной панели 5а и паза 59 кровельной панели 5b наносят герметик.
Способы реализации изобретения
Далее описаны порядок установки и работы устройства по изобретению.
Сначала выполняют сборку кровельного настила путем соединения множества кровельных панелей 5.
После настила кровельных панелей 5 поверх них монтируют раму 1, в каждую ячейку установочного пространства 10 которой устанавливают генератор 2.
А именно, корпус 21 генератора 2 помещают в ячейку установочного пространства 10 рамы 1 и закрепляют, используя крепеж, например, болтовый.
При этом внутри корпуса 21 смонтирован приводной механизм с ленточным солнечным коллектором 22 таким образом, что приводной механизм сворачивает и разворачивает солнцеколлекторную штору.
После размещения под солнцеколлекторной лентой 22 множества водогрейных змеевиков 31, соединенных с водосборником малой емкости 32, который сообщается через патрубок с внешним водонакопителем большой емкости 36, монтаж установки по изобретению завершен.
В силу того, что установку по изобретению главным образом используют для выработки электроэнергии за счет поглощения солнечного света, штору ленточного солнечного коллектора 22, снабженную множеством солнечных фотоэлементов, оставляют в развернутом состоянии, управляя ей из помещения с помощью регулятора 26.
Величина развернутого участка солнцеколлекторной шторы 22 может быть установлена на 30%, 60% и 90% и не только.
Управление величиной разворота солнцеколлекторной шторы 22 может осуществляться непосредственно пользователем вручную или автоматически посредством программного управления на основе показаний солнечного датчика.
Вырабатываемое генератором 2 электричество может быть использовано для питания кондиционера в помещении, что способствует экономии электроэнергии [сети].
Второй вариант осуществления
На фиг. 5 дана схема второго варианта конструктивного решения генератора по изобретению.
Второй вариант "А2" технического решения генератора 5 по изобретению на фиг. 5 включает корпус 21а, монтируемый в ячейку установочного пространства рамы 1, множество пластин "Р", сдвигающихся внутри корпуса 21а в стопу (по принципу жалюзи), покрытых с наружной стороны солнечными элементами "S", аккумуляторную батарею 24а для накопления электричества, выработанного солнечными элементами "S", приводной механизм "Т", сдвигающий и раздвигающий множество пластин "Р", и регулятор 26а для управления приводным механизмом "Т".
Каждая из множества пластин "Р" выполнена из твердого или гибкого листового материала и имеет на своей наружной поверхности солнечные элементы "S". Пластины "Р" соединены между собой подвижным креплением с возможностью сдвигания в стопу и раздвигания.
Сдвигание или раздвигание происходит за счет продольного возвратно-поступательного скольжения полоза "P3", выполненного в виде гребня на нижней поверхности верхней пластины "Pu", внутри паза "Р4" заданной длины, выполненного в верхней поверхности нижней пластины "Pd".
Предпочтительно полоз "P3" и паз "Р4" имеют тавровый профиль, что обеспечивает надежное подвижное соединение между верхней "Pu" и нижней "Pd" пластинами.
Приводной механизм "Т" генерирует тяговое усилие для поочередного выдвигания из стопы (одной из-под другой) множества пластин "Р" или их сдвигания в обратном порядке.
Например, приводной механизм "Т" может включать цепь "Т4" заданной длины, находящуюся в зацеплении с ведущей зубчатой звездочкой "Т1" электродвигателя "T3" и ведомой зубчатой звездочкой "Т2", установленными на определенном расстоянии друг от друга, для перемещения пластин за счет скобы крепления самой нижней пластины "Ре" из множества пластин "Р" к приводной цепи "Т4".
Очевидно, что описанный выше пример технического решения по изобретению может быть дополнен и реализован в различных формах.
Третий вариант осуществления
На фиг. 6 дана схема третьего варианта конструктивного решения генератора по изобретению.
Третий вариант "A3" технического решения генератора 5 по изобретению на фиг. 6 включает множество солнцеулавливающих пластин "С", покрытых с внешней стороны солнечными фотоэлементами "S", подвижно установленных над внешней поверхностью множества водонагревательных трубок 31 с возможностью вращения вокруг них, приводной механизм, вращающий множество солнцеулавливающих пластин "С" для выбора их положения между верхней и нижней частью водонагревательных трубок 31, аккумуляторную батарею 24b для накопления электричества, генерируемого солнечными элементами "S", и регулятор 26b для управления приводным механизмом.
Каждая из множества солнцеулавливающих пластин "С" может быть выполнена из металла или пластика, имеет арочную форму, покрыта с внешней стороны солнечными фотоэлементами и одним концом соединена с приводным механизмом.
Приводной механизм позволяет одновременно или раздельно вращать множество солнцеулавливающих пластин "С" с выбором их положения между верхом и низом каждой из водонагревательных трубок 31 для переключения выполняемых функций отопления, горячего водоснабжения или выработки электроэнергии.
Например, приводной механизм может включать равное множеству солнцеулавливающих пластин "С" множество соединенных с ними вращающихся валов, на одном конце каждого из которых закреплено зубчатое колесо для зацепления с органом передачи, например, цепью, которая передает вращение от зубчатого колеса электродвигателя на зубчатые колеса валов.
На фиг. 6А (фиг. 6 слева) показан зимний вариант, когда солнцеулавливающая пластина "С" находится в крайнем положении под водонагревательной трубкой 31, которая напрямую нагревается лучами солнца вместе с водой внутри нее, обеспечивая функции отопления и горячего водоснабжения.
На фиг. 6B (фиг. 6 справа) показан летний вариант, когда солнцеулавливающая пластина "С" находится в крайнем положении над водонагревательной трубкой 31, обеспечивая функцию выработки электричества из солнечного света.
В силу возможности реализации изобретения в нескольких формах, не выходящих за рамки его технической сущности или существенных признаков, следует понимать, что описанные выше примеры не являются ограничительными ни по одной из указанных деталей, если иное не определено специально, а, скорее, должны широко толковаться в пределах его технической сути и объема правовой защиты, определяемой пунктами прилагаемой формулы изобретения, а, следовательно, все изменения и модификации, которые попадают под действие и ограничения данной формулы, или же все аналоги таких соответствий и ограничений подлежат включению в объем формулы изобретения.
Промышленная применимость
Нагревательная и электрогенерирующая установка на солнечной энергии по изобретению предусматривает преобразование солнечной энергии для обеспечения горячего водоснабжения, отопления и выработки небольшого количества электроэнергии зимой и выработки электроэнергии для охлаждения воздуха летом с возможностью трех вариантов реализации системы, устанавливаемой на единой раме на крыше или стене дома.