Комбінований сонячний колектор

Винахід відноситься до області енергетики і може бути використаний при створенні екологічно чистих високоефективних установок для перетворення сонячної енергії в тепло і електроенергію, накопичення енергії у тепловому акумуляторі, у тому числі і від інших альтернативних джерел енергії, і використання її у вечірній час, у тому числі після заходу Сонця. Відомі вакуумовані сонячні колектори для перетворення сонячного випромінення у тепло, які мають прозору скляну трубку, всередині якої розміщена металева зачорнена трубка, по якій циркулює теплоносій, причому між цими трубками створений вакуум з метою виключення конвективних втрат тепла [1]. З метою акумуляції сонячної енергії застосовують теплові акумулятори з використанням прихованої теплоти фазового переходу "плавлення-кристалізація" [2]. З метою забезпечення поглинання до 97% променевої енергії Сонця й одержання температури теплоносія до 700°С металеві трубки вакуумованих колекторів виконують шороховатими за рахунок плазмової обробки поверхні [3,4]. Недоліком такої конструкції сонячного колектора є необхідність постійного його відстеження за положенням Сонця в залежності від добового часу і пори року, а також низька ефективність поглинання розсіяного хмарами випромінення, що приводить до низького значення накопиченої енергії вранці і після полудня, а також до неможливості ефективного використання енергії після заходу Сонця. Відомий статичний вакуумований сонячний тепловий колектор без відстеження за положенням Сонця, що включає прозорі зовнішню й внутрішню скляні сфери, між якими створений вакуум. Усередині останньої розміщений сферичний теплопоглинаючий елемент, зв'язаний з його порожниною канал усередині стійки, що підтримує елемент. Накопичувач нагрітого теплоносія розміщений у порожнині елемента і зв'язаний із споживачем при допомозі трубопроводу, розміщеного у каналі стійки. Зовнішня сфера може бути виконана із плоских шестикутних лінз із нанесеними на них дифракційними решітками [5]. Недоліком даного пристрою є невисока його ефективність через відсутність селективного покриття на теплопоглинаючому елементі, відсутності високотемпературного матеріалу і, відповідно, низької температури теплоносія, що не дозволяє достатньо запасати теплову енергію й ефективно використовувати її після заходу Сонця. Відомий статичний високотемпературний пристрій для акумулювання сонячної енергії, який складається з вакуумованого металевого сферичного приймача сонячного випромінення із зовнішнім селективним покриттям, і представляє собою тепловий акумулятор, заповнений теплоакумулюючим матеріалом. Приймач розміщений на стійці, яка, у свою чергу, кріпиться до другої зовнішньої металевої сфери з дзеркальним внутрішнім покриттям. Сонячна енергія підводиться до теплоакумулюючого матеріалу від концентратора, який відстежує положення Сонця, через оптичну систему і прозорі лінзи, які розташовані на одній осі в корпусах металевих сфер. Відбір тепла від теплоакумулюючого матеріалу проводиться безпосередньо теплообмінником, розташованим усередині цього матеріалу. У приймачі теплообмінник зв'язаний з теплоносієм через трубу, яка проходить через стійку [6]. Недоліком даного пристрою є те, що тепло відбирається безпосередньо теплообмінником із теплоносієм від високотемпературного теплового акумулятора, що веде до необхідності установки додаткового теплообмінного пристрою, низька ефективність використання сонячної енергії через наявність додаткових контурів для зниження температури і прискореної "розрядки" теплового акумулятора. Крім цього, даний пристрій не може накопичувати енергію від інших альтернативних джерел енергії при відсутності сонячного випромінення. Задача винаходу - створення високоефективного вакуумованого сонячного колектора без орієнтації його на Сонце в залежності від добового часу, пори року, що ловить прямі, розсіяні і відбиті сонячні промені. Задача вирішується за рахунок того що колектор з високотемпературним тепловим акумулятором, заповненим теплоакумулюючим матеріалом з використанням прихованої теплоти фазового переходу "плавлення-кристалізація", термоелектричними батареями і тепловим електричним нагрівачем для отримання теплової і електричної енергії за рахунок виконання його у вигляді прозорої сферичної оболонки з розміщеним всередині неї на термоелектричних батареях металевого приймача сферичної форми з селективною зовнішньою поверхнею, який являє собою високотемпературний тепловий акумулятор, заповнений теплоакумулюючим матеріалом, при цьому внутрішня поверхня металевого приймача сонячного випромінення покрита шаром теплоізолюючого матеріалу, а всередину приймача введений з забезпеченням герметичності радіатор, занурений у теплоакумулюючий матеріал, в корпус радіатора вмонтований електричний нагрівач, при цьому, радіатор має безпосередній тепловий контакт з корпусом металевого приймача і "гарячими спаями термоелектричних батарей, прозора сферична оболонка виконана із прозорої верхньої й нижньої напівсфер, що мають герметичне з'єднання між собою, а прозора нижня напівсфера має в нижній частині фланець, на який кріпиться із забезпеченням герметичності через теплоізолятор металева основа, на якій знизу розміщені герметичний вентиль для створення вакууму, герметичний електричний рознім, для відводу й підводу електричної енергії від термоелектричних батарей і до нагрівача відповідно, і труба для відводу тепла, а зверху на основі установлені термоелектричні батареї, "низькотемпературні " спаї яких мають із нею тепловий контакт. На креслені зображено конструкцію комбінованого сонячного колектора. Комбінований сонячний колектор виконаний статичного типу у вигляді сфери без орієнтації на Сонце для одержання теплової і електричної енергії в денний час і після заходу Сонця , у сукупності з високотемпературним тепловим акумулятором, термоелектричними батареями і тепловим електричним нагрівачем. Він складається із двох прозорих напівсфер - верхньої напівсфери 1 і нижньої напівсфери 2, у яку вварений паралельно поверхні їх роз'єднання металевий фланець 3. На фланець 3 із забезпеченням герметичності через теплоізолятор закріплена основа 4, на якій знизу закріплені герметичний вентиль 5, герметичний електричний рознім 6 і приварена подвійна труба 7 для підводу теплоносія 8 і відводу тепла. Зверху на основі 4 закріплені три термоелектричні батареї 9, 10, 11, "низькотемпературні" спаї яких мають тепловий контакт з основою 4. На термоелектричних батареях 9, 10, 11 закріплена пустотіла металева сфера 12 із селективною зовнішньою поверхнею 13. Внутрішня поверхня сфери 12 покрита шаром теплоізолятора 14, за виключенням нижньої її частини в області з'єднання з термоелектричними батареями 9, 10, 11, де кріпиться із забезпеченням герметичності радіатор 15 із розгалуженою поверхнею, наприклад, пластинчатий, основа якого у вигляді сферичного сегмента має безпосередній тепловий контакт із металевою сферою 12 і "високотемпературними" спаями термоелектричних батарей 9, 10, 11. Радіатор 15 занурений у введений усередину металевої сфери 12 через отвір 16 теплоакумулюючий матеріал 17, який має приховану теплоту фазового переходу "плавлення-кристалізація". У внутрішній порожнині радіатора 15 розташований тепловий електричний нагрівач 18 [ТЕН] на базі резистивного елемента 19. Усередині сонячного колектора в порожнинах 20 і 21, порожнині радіатора створюється через вентиль 5 вакуум. Металева сфера 12 виготовляється із двох металевих напівсфер, на внутрішню поверхню яких по шаблонам наноситься, наприклад, методом газотермічної дифузії, високотемпературна металокераміка теплоізолятор 14. Після цього на нижню металеву напівсферу кріпиться радіатор 15 у зборі з нагрівачем 18, верхня й нижня металеві напівсфери зварюються між собою. На металеву сферу 12 методом плазмової обробки зовнішньої поверхні наноситься селективне покриття 13, закріплюються термоелектричні батареї 9, 10, 11, на які кріпиться основа 4 із вентилем 5, рознімом 6 і трубою 7. Виконується електричний монтаж, а потім ця збірка кріпиться гвинтовим з'єднанням через герметизуючі теплоізоляційні прокладки до фланця З, ввареного в нижню прозору напівсферу 2. Металева сфера 12 через отвір 16 заповнюється теплоакумулюючим матеріалом 17. Попередньо притерті між собою прозорі напівсфери 1 і 2 у місці стику герметизують, наприклад, способом [7]. Через вентиль 5 відкачують повітря, створюючи вакуум усередині сонячного колектора. Принцип роботи комбінованого сонячного колектора полягає у генерації термоелектрорушійної сили (термо-ЕРС) на виводах термоелектричних батарей 9, 10, 11, нагріві теплоносія 8 й плавленні теплоакумулюючого матеріалу 17 при опроміненні в денний час прямими, розсіяними від хмар або відбитими від дзеркальних поверхонь або снігу взимку, сонячними променями й нагріві металевої сфери 12. В вечірній час і після заходу Сонця генерація термо-ЕРС і нагрівання теплоносія 8 відбувається за рахунок віддачі прихованої теплоти фазового переходу "плавлення-кристалізація" високотемпературного теплоакумулюючого матеріалу 17. При підведенні від зовнішніх джерел електричної енергії до термоелектричного нагрівача 18 через рознім 6 резистивний нагрівальний елемент 19 буде віддавати цю енергію у вигляді тепла через радіатор 15 тепловому акумулятору у будь який час доби без залежності від наявності сонячного випромінення. При попаданні сонячних променів на комбінований сонячний колектор вони через прозорі напівсфери 1 і 2 попадають на металеву сферу 12 із селективною поверхнею 13. Сфера 12 починає розігріватись до температури, близької до 700°С. Тепло по поверхні сфери 12 за рахунок низького теплового опору передається на радіатор 15, який розігріває й плавить теплоакумулюючий матеріал 17, наприклад, гідрид літію, який плавиться при температурі близькій до 650°С. Одночасно нагріваються "високотемпературні" спаї термоелектричних батарей 9, 10, 11 і охолоджуються теплоносієм 8 через основу 4 їх "низькотемпературні" спаї. За рахунок різниці температур генерується термо-ЕРС. При цьому, теплоносій 8, в якості якого можуть використовуватись повітря, вода, антифриз і т. ін., відбирає тепло від металевої сфери 12 при наявності сонячного випромінення і від теплового акумулятора через радіатор 15, корпуса термоелектричних батарей 9, 10, 11, основу 4 і підігрівається у вечірній час і після заходу Сонця. При відсутності сонячного випромінення накопичена протягом світлового дня енергія починає виділятись у вигляді прихованої теплоти фазового переходу "плавлення-кристалізація". Так як у порожнині сонячного колектора створений вакуум, то практично відсутня теплопередача за рахунок конвекції між металевою сферою 12 і прозорими напівсферами 1 і 2, а також між "гарячими" і "холодними" спаями термоелектричних батарей 9, 10, 11. Теплоізолятор 14 за рахунок великого теплового опору знижує теплопередачу між теплоакумулюючим матеріалом 17 і сферою 12, а значить і знижує теплове випромінення з поверхні сфери 12. При цьому тепло, що виділяється через радіатор 15, передається через термоелектричні батареї 9, 10, 11, основу 4 теплоносію 8. При виготовленні металевої сфери з площею розрізу по екватору їм2 (D » 1,13м) на широті +50° у період літнього сонцестояння (червень) опроміненість горизонтальної поверхні при довжині світлового дня 16 годин для ясного неба становить » 33МДж/м2 у день [1, стор.83]. При цьому сонячний колектор зможе утилізувати » 7800ккал тепла і максимальна його теплова потужність становитиме » 9,0кВт. Цю величину зменшимо з урахуванням хмарності до 50 ¸ 70%, таким чином реально можливо накопичити »5 ¸ 6кВт теплової потужності. При застосуванні термобатарей з к.к.д.»0,2 одержимо до 1кВт електроенергії в сутки. У зимові сонячні дні (січень) ці параметри знижуються приблизно у З ¸ 5 раз у залежності від довжини світлового дня [1]. При зарядці теплового акумулятора від зовнішньої електричної мережі , наприклад, по льготним тарифам у нічний час або від інших альтернативних джерел, наприклад, вітрогенератора, хвильового електрогенератора і т.п., 700кг теплоакумулюючого матеріалу зможуть накопичити енергію, еквівалентну згоранню 50кг бензину з теплотворчою здібністю 11000ккал/кг. Застосування термоелектричних батарей з високим тепловим опором між двома половинами спаїв, виконаними, наприклад, по [8], і комутація батарей на ТЕН, при відсутності енергоспоживання, збільшує ефективність теплового акумулятора і забезпечує часткову рекуперацію теплової енергії. Упровадження даного винаходу дозволяє високоефективно використовувати альтернативне джерело енергії як у літній час так і в сонячні зимові дні для обігріву й електропостачання індивідуальних будинків, котеджів , сільськогосподарських ферм, підприємств, одержання гарячої води, а з концентраторами, виконаними, наприклад, по [9], для обігріву багатоповерхових будинків, побудови потужних теплоелектростанцій, в якості теплогенератора, парогенератора, в опріснювальних установках, дозволяє зменшити споживання органічного палива на електростанціях , знизити викиди вуглекислого газу в атмосферу й зменшити вплив парникового ефекту на зміну клімату. Як альтернативне рішення, із метою підвищення ефективності сонячного колектора , зовнішня прозора скляна оболонка може бути покрита шаром просвітлюючого матеріалу, а внутрішня поверхня - шаром тепловідбиваючого матеріалу для зменшення виходу інфрачервоного випромінення з поверхні теплового акумулятора [10]. Література: 1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии. Перевод с англ. М., «Энергоатомиздат», 1990 г., стр.73... 116. 2. Журнал «Наука и жизнь», №3, 1974г., стр.19. ..21. 3. Журнал «Изобретатель и рационализатор», №11-12, 1992г., стр.1,2. 4. Журнал «Изобретатель и рационализатор», №10, 1995г., стр.6. 5. «Солнечный тепловой коллектор». Авт. свидетельство СССР №1456714, F24J 2/02. 6. "Method and apparatus for collecting, intensifying and storing solar energy". Патент США №4 280 482, F24J 3/02. 7. «Самое надежное соединение стекляных деталей». Журнал «Изобретатель и рационализатор», №10, 1984г., стр.18. 8. «Термоелектрична батарея». Патент України №20070А, H01L 35/00, H01L 35/32. 9. "Статичний сонячний концентратор". Патент України №34110А, F24J 2/00. 10. «Солнечный нагреватель жидкости». Авт. свидетельство СССР №282819, F24J 3/02, F24L