Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка

Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка (КМСЭУ) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности, направлена на использование солнечного излучения для получения электрической энергии, необходимой для обеспечения горячего водоснабжения и естественного освещения помещений различного назначения. КМСЭУ содержит: оптически активный прозрачный купол, представляющий собой двояковыпуклую круговую линзу; тандемную фотоэлектрическую панель на медной подложке, под которой проходят шестигранные медные трубопроводы для теплоносящей жидкости, изготовленной на основе этиленгликоля; круглую плоскую горизонтальную заслонку полой световодной трубы; полую световодную трубу; рассеиватель солнечного света; микродвигатель круглой плоской горизонтальной заслонки; круговую светодиодную лампу; светоотражающий экран; аккумуляторные батареи; датчики света и температуры; электронный блок управления; цифровые приборы визуального наблюдения за электрической энергией и температурой; пульт управления; бак-аккумулятор; теплообменник; циркуляционный насос; обратный клапан; трубопроводы для теплоносящей жидкости, инвертор.

Актуальность заявленной полезной модели заключается: в снижении финансовых затрат на традиционную электрическую энергию; в уменьшении выбросов парниковых газов за счет замещения солнечной энергией выработку энергии тепловыми электростанциями; в преобразовании энергии Солнца в электрическую и тепловую энергии для естественного освещения помещений различного назначения: торговых центров, объектов агропромышленного комплекса, спортивных сооружений, складов и других объектов двойного назначения.

Круговая многофункциольная солнечноэнергетическая установка (КМСЭУ) относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использована в качестве единого источника электрической энергии, тепла и естественного освещения зон отдыха, коттеджей, торговых центров, помещений, развернутых в полевых условиях, стационарных парников, объектов агропромышленного комплекса, спортивных сооружений, цехов промышленных предприятий, складов, социально значимых объектов (школы, больницы и др.), хранилищ техники и других объектов двойного назначения.

Известна солнечная энергетическая установка [1] с фокусировкой солнечного излучения на фотоэлектрические панели (ФЭП) и системой охлаждения, защищающей ФЭП 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 ФЭП 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 теплиц; компрессор, пневмоаккумулятор 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 светорассеивающую плиту; заслонку для ограничения светового потока; электродвигатель для управления заслонкой. Основными недостатками этой системы являются: невозможность увеличения интенсивности светового потока, так как диаметр купола и диаметр световодной трубы одинаковы; отсутствие возможности использовать накопленную солнечную энергию для освещения в пасмурное и вечернее время суток; светособирающий купол устанавливается на крыше без учета широты местности.

Задачей полезной модели является максимальное использование энергии Солнца в единой конструкции, предназначенной для одновременной выработки электрической энергии, обеспечения горячего водоснабжения и естественного освещения помещений различного назначения в дневное и вечернее время.

Таким образом, из уровня техники, последовательности соединения (связи) и их конструктивного выполнения, позволяющих технологически объединить функции получения электрического тока, горячего водоснабжения, естественного и искусственного освещения помещений различного назначения за счет солнечного излучения, в настоящее время не обнаружено. Из сказанного можно сделать вывод о новизне заявленной КМСЭУ в качестве полезной модели.

КМСЭУ представляет собой единую систему, предназначенную для: преобразования солнечного излучения в электрическую энергию; подогрева теплоносящей жидкости, с целью обеспечения горячего водоснабжения и использования солнечного света для естественного освещения помещений различного назначения посредством транспортировки солнечного света внутри полых световодов, имеющих зеркальную внутреннюю поверхность. КМСЭУ содержит: оптически активный купол, представляющий собой круговую двояковыпуклую линзу; тандемную фотоэлектрическую панель (ФЭП) на медной подложке, шестигранные медные трубопроводы для теплоносящей жидкости; бак-аккумулятор; теплообменник, циркуляционный насос для прокачки теплоносящей жидкости на основе этиленгликоля; обратный клапан; круглые плоские горизонтальные заслонки; полую световодную трубу; рассеиватель солнечного света; микродвигатель круглой плоской горизонтальной заслонки, круговую светодиодную лампу; аккумуляторные батареи (АКБ), датчик света и температуры; электронный блок управления, пульт управления, инвертор для получения переменного напряжения 220 В 50 Гц; основание КМСЭУ.

Технический результат заявленной полезной модели достигается:

- наличием кругового оптически активного купола, представляющего двояковыпуклую круговую линзу, которая концентрирует солнечный свет на тандемные ФЭП, 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 полой световодной трубы, расположенной в центре КМСЭУ, обеспечивающей естественное освещение помещения;

- наличием медных шестигранных трубопроводов с теплоносящей жидкостью на основе этиленгликоля, которая обеспечивает съем тепла с медной подложки ФЭП;

- наличием: двухконтурной системы теплообмена, с датчиками температуры, которые установлены на медной подложке тандемной ФЭП и в баке-аккумуляторе; циркуляционного насоса с обратным клапаном для прокачки 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 горизонтальной заслонкой, которая, поворачиваясь вокруг оси вала, перекрывает вход в световодную трубу, а при наличии солнечного света открывает ее;

- применением круглой плоской горизонтальной заслонки полой световодной трубы, причем поверхности этих заслонок с двух сторон покрыты тандемными ФЭП;

- наличием электронного блока управления с инвертором и АКБ, позволяющим в автоматическом режиме контролировать температуру тандемных ФЭП и освещенность помещений;

- применением приборов визуального наблюдения за зарядкой АКБ, температурой тандемной ФЭП и воды в баке-аккумуляторе, освещенностью в помещении;

- наличием пульта управления, обеспечивающего с помощью кнопок в ручном режиме включать (выключать) микродвигатель для управления круглой плоской горизонтальной заслонкой, круговой светодиодной лампой и циркуляционным насосом.

Заявленная полезная модель поясняется чертежами. На Фиг.1 показан в разрезе общий вид КМСЭУ в варианте ее установки на крыше помещения. Вид сверху КМСЭУ по стрелке А представлен на Фиг.2. Вид снизу по стрелке Б показан на Фиг.3. На Фиг.4 представлена структурно-технологическая схема функционирования КМСЭУ.

КМСЭУ содержит следующие технологически и функционально связанные между собой составные части: оптически активный купол 1, представляющий собой двояковыпуклую круговую линзу; тандемную ФЭП 2; шестигранные трубопроводы 3, расположенные под тандемными ФЭП; патрубок 4 подачи горячего теплоносителя; полую световодную трубу 5; опорное кольцо 6; вал 7 микродвигателя 8; круглую плоскую горизонтальную заслонку 9; утеплитель 10; теплоотражающую пленку 11 (фольга, пенофол, армофол); крепежное кольцо 12; крепежные элементы 13; основание 14 КМСЭУ; патрубок 15 подачи охлажденного теплоносителя; крышу 16; АКБ 17; потолок помещения 18; пульт управления 19; кнопку 20 ручного включения (выключения) циркуляционного насоса; кнопку 21 ручного управления поворотом круглой плоской горизонтальной заслонки 9; кнопку 22 ручного включения (выключения) круговой светодиодной лампы (КСДЛ) 23; круговой цилиндрический отражатель 24 КСДЛ 23; рассеиватель солнечного света 25; крепежное кольцо 26; крепежные элементы 27; датчик температуры 28 тандемной ФЭП 2; термоэлектрический нагреватель 29; теплообменник 30; бак-аккумулятор 31; трубопровод 32 для подачи горячей теплоносящей жидкости; трубопровод 33 для подачи охлажденного теплоносителя; датчик температуры 34 бака-аккумулятора 31; датчик света 35; электронный блок управления 36; циркуляционный насос 37; обратный клапан 38; патрубок подачи холодной воды 39 в бак-аккумулятор 31; патрубок подачи горячей воды 40 из бака-аккумулятора 31; инвертор 41, приборы визуального наблюдения за уровнем зарядки АКБ 42, температурой 43 тандемной ФЭП 2 и температурой 44 воды в баке-аккумуляторе 31.

КМСЭУ функционирует следующим образом: солнечное излучение собирается и концентрируется круговой двояковыпуклой линзой оптически активного купола 1, одновременно концентрированное солнечное излучение попадает на тандемную ФЭП и в полую световодную трубу 5. Солнечная энергия в виде излучения, попадая на тандемную ФЭП 2, инициирует выработку электроэнергии, которая идет на освещение помещений с помощью КСДЛ 23 и (или) аккумулируется в АКБ 17 с целью дальнейшего использования для освещения помещений в пасмурное и (или) вечернее время суток, а также для подогрева воды в необходимых случаях в баке-аккумуляторе 31 с помощью ТЭН-а 29. Большая часть солнечной энергии, которая не используется для выработки электроэнергии тандемной 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 3, расположенным под тандемной ФЭП 2, обеспечивает съем тепла, охлаждая тандемную ФЭП, в случае если температура тандемной ФЭП достигает температуры 70°C, датчик температуры 29 подает электрический сигнал на электронный блок управления 36, чем обеспечивается автоматическое включение насоса 37 на прокачку охлажденного теплоносителя из теплообменника 30 бака-аккумулятора 31 по трубопроводу 33 и патрубку 14 в шестигранные трубопроводы 4, что обеспечивает нормальный тепловой режим работы тандемной ФЭП. При работе насоса 37 обратный клапан 38 закрыт. Подогретый солнечным излучением находящийся под тандемной ФЭП 2 теплоноситель по шестигранным трубам 4 и трубопроводу 32 подается в теплообменник 30, где происходит теплообмен с водой, находящейся в баке-аккумуляторе 31 Охлажденный теплоноситель из теплообменника 30 через обратный клапан 38 при неработающем насосе 37 по трубопроводу 33 и патрубку 14 путем естественного конвективного теплообмена поступает в шестигранные трубопроводы 4 и цикл замыкается. Сконцентрированное круговой двояковыпуклой линзой с оптически активным куполом 1 солнечное излучение попадает в полую световодную трубу 5 и, отражаясь от ее внутренней зеркальной поверхности через рассеиватель 25, проникает вовнутрь помещения, обеспечивая естественное освещение, при этом санируется освещаемая среда и обеспечиваются комфортные условия труда работников. В целях регулирования степени освещенности применяется круглая плоская горизонтальная заслонка 9, которая управляется кнопкой 20 с пульта управления 19. В пасмурное и вечернее время кнопкой 21 можно включить КСДЛ 23.

Тандемные ФЭП, размещенные на внешней и внутренней поверхностях круглой плоской горизонтальной заслонки 9, позволяют вырабатывать электрическую энергию как в открытом, так и в закрытом состояниях. В случае, когда полая световодная труба 5 закрыта круглой плоской горизонтальной заслонкой 9, а КСДЛ 23 включена, то ее свет, отражаясь от зеркальной поверхности кругового отражающего цилиндра 24, через рассеиватель проходит по внутренней зеркальной поверхности полой световодной трубы 5 и воздействует на внутреннюю поверхность тандемной ФЭП. При этом вырабатывается электроэнергия, которая накапливается в АКБ 17, кроме того с помощью инвертора 25 предусматривается возможность обеспечения потребителей сетью 220 В 50 Гц. Надежное крепление КМСЭУ на крыше 16 обеспечивается основанием 14, крепежным кольцом 12 и крепежными элементами 13. Повышению КПД горячего водоснабжения способствует утеплитель 10, например выполненный из стекловаты (пенофол, армофол) и теплоотражающая пленка (фольга) 11, расположенная на внешней и внутренней поверхности утеплителя 10. Автоматическая работа КМСЭУ осуществляется электронным блоком управления 36 (Фиг.1, Фиг.4) в следующем порядке: в режиме контроля температуры нагрева тандемной ФЭП 2 датчик ее температуры 28 подает сигнал в электронный блок управления 36, где значение температуры сравнивается с заданным ограничением 70°C и, в случае ее превышения, включается насос 37, который прокачивает теплоносящую жидкость через шестигранные трубопроводы 4, которые проходят под медной подложкой тандемной ФЭП 2 и осуществляет ее охлаждение; в режиме контроля температуры в баке-аккумуляторе 31 датчик температуры 34 подает сигнал в электронный блок управления 36, где сигнал сравнивается с заданной температурой воды и, в случае необходимости подогрева воды, подключается АКБ к ТЭН-у; в режиме контроля освещенности датчик света 35, размещенный на выходе полой световодной трубы 5, подает сигнал в электронный блок управления 36, который подключает АКБ 17 к КСДЛ 23, чем обеспечивается освещение помещения в сумеречное и вечернее время, одновременно с этим включается микродвигатель 8, который вращает вал 7, жестко закрепленный в круглой плоской горизонтальной задвижке 9 и поворачивает ее в положение «закрыто». Управление положением круглой плоской горизонтальной заслонки 9 может осуществляться с пульта управления 19 с помощью кнопки 21. С этого же пульта можно вручную с помощью кнопки 20 включать или выключать КСДЛ 23, а кнопкой 22 циркуляционный насос 37, используя показания приборов визуального наблюдения 42, 43, 44.

Список цитируемых источников

1. Патент SU 868109, М. кл. F03G 7/02, H01L 31/00, от 30.09.1981.

2. Патент ФРГ 2750679, М. кл. H01L 31/00 от 1979.

3. Патент RU 2141606 от 20.06.1986.

4. Патент RU 1687113, F03D 9/02 от 30.10.1991.

5. Патент США 5896713 от 27.04.1999.

6. Патент США 6936593 от 14.03.2000.

1. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка (КМСЭУ), содержащая: оптически активный прозрачный купол, представляющий собой двояковыпуклую круговую линзу; тандемную фотоэлектрическую панель (ФЭП); круглую плоскую горизонтальную заслонку и полую световодную трубу с внутренней зеркальной поверхностью, расположенные в центре КМСЭУ; микродвигатель; круговую светодиодную лампу (КСДЛ); аккумуляторные батареи; датчики света и температуры; электронный блок управления; пульт управления; бак-аккумулятор; теплообменник; циркуляционный насос с обратным клапаном; шестигранные медные трубопроводы, расположенные под тандемной ФЭП; полый цилиндрический отражатель КСДЛ, отличающаяся тем, что под оптически активным куполом располагается тандемная фотоэлектрическая панель и полая световодная труба.

2. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что для получения традиционного сетевого напряжения 220 В 50 Гц используется инвертор.

3. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что ФЭП имеет тандемную структуру из аморфного кремния (a-Si) и микропрозрачной пленки (mc-Si) на медной подложке, позволяющих преобразовать видимую часть солнечного света и инфракрасный спектр солнечного излучения в электрическую энергию.

4. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что медные шестигранные трубопроводы с теплоносящей жидкостью на основе этиленгликоля обеспечивают съем тепла с медной подложки тандемной ФЭП.

5. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что для повышения КПД горячего водоснабжения применяется утеплитель, например, из стекловаты (пенофола, армофола), и теплоотражающая пленка из фольги, расположенная на внешней и внутренней поверхностях утеплителя.

6. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что на электронном пульте управления расположены цифровые приборы визуального наблюдения за температурой: тандемной ФЭП, воды в баке-аккумуляторе и освещенностью помещения.

7. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что электронный блок и пульт управления функционально и электрически связаны с аккумуляторными батареями, инвертором, термоэлектрическим нагревателем, датчиками температуры и света, цифровыми приборами визуального наблюдения, позволяющими в автоматическом и ручном режимах регулировать и контролировать зарядку аккумуляторных батарей, температуру тандемной ФЭП, освещенность помещения, а также температуру воды в баке-аккумуляторе.

8. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что верхняя и нижняя поверхности круглой плоской заслонки покрыты тандемными ФЭП.

9. Круговая многофункциональная солнечноэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что конструкция установки предназначена для ее использования в качестве единого источника электрической энергии, тепла и естественного освещения зон отдыха, коттеджей, торговых центров, помещений, развернутых в полевых условиях, стационарных парников, объектов агропромышленного комплекса, спортивных сооружений, цехов промышленных предприятий, складов, хранилищ техники и других объектов двойного назначения.