Двоконтурна комбінована геліосистема

Реферат: Двоконтурна комбінована геліосистема містить два теплові контури з датчиками температури, датчиками рівня рідини та диференційними терморегуляторами, один з яких містить комбіновані фотоелектричні модулі, а другий - геліоколектори, біогазової установки з системою очищення та опріснювача, в яких розташовано нагрівачі, з'єднані за допомогою електричних блокуючих і байпасних клапанів з циркуляційними насосами фотоелектричних модулів та геліоколекторів, а також акумулятора електричної енергії, який з'єднано з керованим мережевим інвертором. Біогазова установка містить додатковий нагрівач, який виконано у вигляді газового пальника, а теплові контури додатково оснащені ґрунтовим геотермальним акумулятором, що розташовано послідовно за нагрівачем біогазової установки. UA 113300 U (54) ДВОКОНТУРНА КОМБІНОВАНА ГЕЛІОСИСТЕМА UA 113300 U UA 113300 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фотоенергетики та геліотехніки. За найближчий аналог прийнято двоконтурну геліосистему [UA 98994 U (С1), F24J2/00, опубл. 12.05.2015], що містить контури охолодження для геліоколекторів з концентраторами і комбінованих фотоелектричних модулів з розміщеними на них циркуляційними насосами, біогазову установку з системою очищення і опріснювач, які споживають теплову енергію вищевказаних контурів за допомогою нагрівачів, акумулятор електричної енергії, що заряджається від комбінованих фотоелектричних модулів і з'єднаний з керованим мережевим інвертором, електричні блокуючі і байпасні клапани для зміни режимів роботи, термодатчики, сигнали від яких надходять через диференційні регулятори до інвертора. Головною рисою таких установок є спільна робота біоустановки з двоконтурною геліосистемою, яка базується на виробництві біогазу мікробіологічним методом та забезпечення температурного режиму в ферментаційній камері біоустановки за допомогою геліосистеми. Наявність опріснювальної установки обумовлена потребою додаткового теплового розвантаження обох контурів з метою зниження температури на вхідному патрубку комбінованих фотоелектричних модулів. Тому недоліком такої двоконтурної геліосистеми є те, що недостатньо охолоджена рідина, яка надходить на вхідний патрубок в контурі комбінованих фотоелектричних модулів, особливо влітку в умовах браку холодної води, не повною мірою забезпечує підвищення напруги в електричній частині, особливо, коли модулі послідовно з'єднані між собою в стрингі. Крім того, в системі не передбачено забезпечення додаткового акумульованого теплового резерву в біоустановці, особливо взимку, з метою забезпечення стійких режимів вироблення біогазу, а також з метою розтоплення снігового покрову на верхньому прозорому покритті комбінованих фотоелектричних модулях в зимовий період. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення двоконтурної геліосистеми шляхом додаткового оснащення її газовим пальником, який встановлений під ферментаційною камерою біогазової установки, таким чином, щоб забезпечити стійкість температурних режимів виробництва біогазу, особливо взимку, коли теплової енергії обох контурів недостатньо, з метою спалення очищеного біогазу і одночасного підігріву ферментаційної камери до значення необхідної температури, а також додаткового встановлення ґрунтового теплового акумулятора, розташованого послідовно за нагрівачем в біоустановці, з метою акумулювання теплової енергії влітку і використання її в зимовий період а також з метою зниження температури рідини літом, яка надходить на вхідний патрубок комбінованих фотоелектричних модулів і подальшого підвищення їх ККД. Поставлена задача вирішується тим, що двоконтурна комбінована геліосистема, що містить контури охолодження для геліоколекторів з концентраторами і для комбінованих фотоелектричних модулів з розміщеними на них циркуляційними насосами, швидкісний теплообмінник, опріснювач, акумулятор електричної енергії з'єднаний з керованим інвертором, електричні блокуючі і байпасні клапани, термодатчики, сигнали від яких надходять до диференційних регуляторів, згідно з корисною моделлю, додатково оснащується пальником під ферментаційною камерою біогазової установки, а також додатковим встановленням ґрунтового теплового акумулятора, розташованого послідовно за нагрівачем в біоустановці у контурі комбінованих фотоелектричних модулів. Оснащення двоконтурної комбінованої геліосистеми пальником, встановленим під ферментаційною камерою біогазової установки, а також додаткове встановлення ґрунтового теплового акумулятора, розташованого послідовно за нагрівачем в біоустановці у контурі комбінованих фотоелектричних модулів додадуть більшої автономності, що дозволить системі працювати не тільки в літній, а і в період зимового часу, а також підвищить її ККД. Внесення до двоконтурної геліосистеми пальника, встановленого під ферментаційною камерою біогазової установки з електрично керованими клапанами дасть можливість практично безперебійно отримувати біогаз протягом року, а також вирішить проблему розтоплення снігового покрову на верхньому прозорому покритті комбінованих фотоелектричних модулях в зимовий період шляхом циркуляції підігрітого теплоносія через комбіновані фотоелектричні модулі. На кресленні представлена схема комбінованої геліосистеми, яка складається з двох теплових контурів, один з яких включає комбіновані фотоелектричні модулі 1, а другий геліоколектори 3. Перший низькотемпературний контур, заповнений антифризом містить комбіновані фотоелектричні модулі 1, відвід тепла в яких відбувається за допомогою циркуляційного насоса Р1, через вихідний патрубок 8, електричні байпасні і блокуючі клапани V3 з V7 і V4 з V8, за допомогою яких, відповідно, відбувається послідовне або локальне живлення нагрівачів 2 і 16, де нагрівач 2 входить до складу опріснювача 6 і розташований в 1 UA 113300 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 його нижньому відділені, а нагрівач 16 входить до складу ферментаційної камери біогазової установки 19 і розташований в нижньому її відділені, байпасний і блокуючий електричні клапани V9 з V10 з геотермальним накопичувачем 28, вихідний змійовик швидкісного теплообмінника 7. Цей контур є попереднім підвищувачем температури для другого високотемпературного контуру. Геліоколектори 3 з концентраторами 4, з циркуляційним насосом Р2, що відбирає тепло від геліоколекторів, нагрівачем 5, розташованим в опріснювачі 6 у верхньому відділені, нагрівачем 17, розташованим у ферментаційній камері у верхньому відділені біоустановки 19, електричними байпасними і блокуючими клапанами V1 з V5 і V2 з V6, за допомогою яких відбувається послідовне або локальне живлення нагрівачів 5 і 17 відповідно, створюють другий високотемпературний контур, заповнений антифризом. Загалом нагрівачі 16 і 17, які розміщені у ферментаційній камері біоустановки, призначені для забезпечення температурних умов роботи її або в мезофільному, або в термофільному режимах, це стосується більшою мірою в літню пору року. Відбір тепла в цей час від комбінованих фотоелектричних модулів повинен бути постійним і стабільним, тому як теплові навантаження вибрано опріснювач 6, біоустановку 19 і ґрунтовий тепловий акумулятор 28, потужності яких повинні гарантовано перевищувати потужність літньої теплової генерації. Біогазова установка 19 обладнана мішалкою 27 для перемішування субстрату, підключеної до інвертора 11, яка виконує свої функції по команді з А6 або А7 з періодичністю, що забезпечує стабільний технологічний процес вироблення біогазу. До складу установки 19 входить також система видалення вологи з біогазу та очищення біогазу від сірководню та вуглекислого газу 23, а також клапанами V24, V25 і V26 з метою спрямування газу в централізовану мережу, або в ємність газгольдера 22 і до газового пальника 21 відповідно. Газовий пальник 21 розташований в нижній частині ферментаційної камери біогазової установки 19 і призначений для часткового підігріву її до рівня робочих температурних режимів біогазової установки. Датчики температури Т1 і Т2, які розташовані на вхідних і вихідних патрубках комбінованих фотоелектричних модулів і датчики температури Т3 і Т4 в контурі геліоколекторів з концентраторами, а також в опріснювачі - Т5, ферментаційної камери біогазової установки - Т6, а також в ґрунтовому тепловому акумуляторі - Т7, датчики рівня рідини У2 і У1, розташовані всередині опріснювача 6, які сигналізують про досягнення рідиною максимального і мінімального об'єму солоної води в ньому, де рівень рідини У1 має постійне значення і розташований над нагрівачем 5 другого контуру, а рівень рідини У2 - знаходиться над рівнем рідини У1. Швидкісний теплообмінник 7, розташований між вхідним патрубком батареї комбінованих фотоелектричних модулів 1 і напірним трубопроводом холодної морської води 9, призначений для додаткового охолодження теплоносія в першому низькотемпературному контурі. До складу комбінованої геліосистеми також входять диференційні терморегулятори А1, А2, A3, які подають сигнали на спрацьовування циркуляційних насосів Р1 та Р2 в обох контурах; регулятор освітленості А4 та регулятор рівня рідини А5 в опріснювачі, які керують роботою циркуляційного насоса Р3; багатоканальні диференційні регулятори А6 та А7, які керують роботою електричних клапанів V1-V8 в літній та зимовий періоди відповідно. Багатоканальний диференційний регулятор А6, крім того, виконує функцію загального контролера переважно для літніх режимів роботи ферментаційної камери біогазової установки 19 і опріснювача 5. Багатоканальний диференційний регулятор А7 виконує функцію загального контролера переважно для зимових режимів роботи ферментаційної камери біогазової установки 19 і геотермального акумулятора 28. До складу комбінованої геліосистеми також входить акумулятор електричної енергії 10, який накопичує енергію від комбінованих фотоелектричних модулів 1 і нівелює коливання напруги, викликані нестабільністю надходження сонячного випромінення, інвертор 11 для фотоелектричних систем з власною системою керування, який здійснює живлення насосів P1, P2 і Р3 змінним струмом, а також передачу надлишкової електричної енергії в локальну мережу 12, датчик сонячного випромінювання 13, встановлений на каркасі батареї комбінованих фотоелектричних модулів 1, логічні елементи "І" 14 і 15, які сприймають і обробляють сигнали від диференційних регуляторів А2 і A3 і А4 і А5 відповідно. Робота двоконтурної комбінованої геліоустановки здійснюється наступним чином. В умовах літньої пори року, під час сходу сонця на комбінованих фотоелектричних модулях 1 починає генеруватись електрична енергія, яка накопичується в акумуляторі 10 і через інвертор 11 надходить для живлення циркуляційних насосів Р1 і Р2 в обох контурах та глибинного насоса Р3, а надлишковий рівень електричної енергії спрямовується в локальну або 2 UA 113300 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 централізовану мережу 12. Різниця між температурами Т2 і Т1 комбінованої фотоелектричної батареї в першому контурі, а також відповідно Т4 і Т3 геліоколектора 3 з концентратором 4 у складі другого контуру в умовах сходу сонця має приблизно однаковий рівень і циркуляція теплоносія в обох контурах не відбувається. В умовах подальшого денного зростання потоку сонячної радіації відбувається одержання електричної енергії вищого рівня від комбінованих фотоелектричних модулів 1 у вигляді суттєвого зростання струму. Електрична енергія, накопичуючись в акумуляторі 10, який нівелює коливання постійного струму в умовах нестабільності сонячного випромінювання і перетворюючись в змінний струм в інверторі 11, спрямовує основний потік в локальну або централізовану мережу 12, крім живлення циркуляційних насосів P1, P2 і Р3. В умовах зростання рівня сонячної радіації починають грітись сонячні елементи в модулях і напруга в сонячних елементах починає поступово знижуватись, що призводить до зниження загального ККД фотоелектричних модулів 1. Конвективно починають зростати температури Т2 відносно Т1, а також Т4 відносно Т3. Коли Т2 відносно Т1 і Т4 відносно Т3 досягнуть певного рівня, а Т4, крім того, перевищить Т5 за умов наявності сонячного випромінювання, спрацьовують відповідно диференційні терморегулятори А1 і А2 з A3. Диференційний регулятор А1 вмикає насос Р1, який здійснює передачу надлишкового обсягу теплової енергії від фотоелектричних модулів 1 через вихідний патрубок 8 спочатку до нагрівача 2, який входить до складу опріснювача 6, а далі до нагрівача 16, який входить до складу ферментаційної камери біогазової установки 19, розігріваючи нагрівачі 5 і 17 геліоколекторного контуру. Концентратори 4 вибираються таким чином, щоб температура рідини на датчику Т5, яка прокачується через клапан V5 і нагрівач 5 в умовах літньої спеки ефективно випаровувалась і по змійовику через патрубки 20 відводилась би у вигляді опрісненої води. Багатоканальний регулятор А6 в залежності від значення температури і для забезпечення необхідного режиму роботи біоустановки 19 вибирає за допомогою електричних клапанів V3, V4, V7 і V8 послідовне або локальне включення нагрівачів 2 (в опріснювачі 6) і 16 (в ферментаційній камері біоустановки 19). Клапани V3 з V7 і V4 з V8 працюють в протифазі. Аналогічно відбувається живлення нагрівачів 5 і 17, які входять до складу опріснювача 6 і біоустановки 19 відповідно, забезпечуючи нагрів до максимальної температури згідно з технологічним процесом, і створення температурних умов для термофільного режиму. Клапани V1 з V5 і V2 з V6 працюють в протифазі і, аналогічно першому контуру, живлять нагрівачі 5 і 17 послідовно або локально. Диференційні терморегулятори А2 з A3, за допомогою логічного елемента 14 вмикають контурний насос Р2, який здійснює циркуляцію теплоносія в другому контурі і передачу теплової енергії від колекторів з концентраторами до нагрівачів 5 і 17. Перший контур комбінованих фотоелектричних модулів проміжних нагрівачів 2 і 16, віддає частину своєї теплової енергії нагрівачам 5 і 17, другого високотемпературного контуру, конвективно, виключаючи зворотний нагрів низькотемпературного контуру високотемпературним. Таким чином, першими у черзі по використанню теплової енергії, одержаної від обох контурів є нагрівачі опріснювача 6, температура якого перевищує рівень, визначений технологічним процесом, а другими у черзі по споживанню теплової енергії є нагрівачі ферментаційної камери біогазової установки 19, робочі температури якої знаходяться в межах від 32 С до 40 С для мезофільного або в межах від 52 С до 56 С для термофільного режимів і останнім літнім споживачем теплової енергії є ґрунтовий тепловий акумулятор 28. За умови зменшення рівня морської води в опріснювачі 6 до рівня У1 по причинах витоку опрісненої води через патрубки 20 в процесі роботи, спрацьовує диференційний регулятор А5 і за наявності сонячного випромінювання в певних межах, що надходить від датчика 13, спрацьовує диференційний регулятор А4 і ці регулятори за допомогою логічного елемента 15 вмикають глибинний насос Р3. Насос Р3 піднімаючи відносно холодну морську воду з дна моря, охолоджує в швидкісному теплообміннику 7 теплоносій першого контуру, який надходить до сонячних елементів батареї комбінованих фотоелектричних модулів 1, викликаючи зростання не тільки напруги, а і ККД всієї батареї. Підігріта в теплообміннику 7 морська вода надходить до опріснювача 6 через вхідний патрубок 18 і заповнює його до рівня води У2. Заповнений морською водою опріснювач під дією нагрівачів 2 і 5 від обох контурів, починає інтенсивно генерувати пар, який конденсуючись по стінкам опріснювача, виводиться зовні у вигляді опрісненої води через патрубки 20. У міру випаровування солоної води в опріснювачі 6 процес повторюється. Подача морської води в опріснювач 6 відбувається за умов падіння до рівня У1 і наявності сонячного освітлення, про яке сигналізує датчик 13 на регулятор А4. Швидкість випаровування морської солоної води в опріснювачі більшою мірою обумовлена об'ємом рідини 3 UA 113300 U 5 10 15 20 25 30 35 в межах У1-У2, температурою теплоносія в другому контурі з геліоколекторами 3 з концентраторами 4 та швидкістю прокачування її по контуру. В нічному режимі циркуляційні насоси Р1 і Р2 не працюють, бо визначеної різниці між Т4 і Т3, а також між Т2 і ТІ і в умовах відсутності сонячного випромінення немає, датчик 13 сонячного випромінення не спрацьовує і логічний елемент 15 не видає сигнал управління на насос Р3 і цей насос не подає морську воду в теплообмінник 7. В осінньо-весняних умовах процеси генерування електричної енергії, утилізації теплової та опріснення в системі аналогічні тим, що відбуваються влітку, хоча в цей час суттєво знижуються потужності вищевказаних електричної і теплової енергії. В зимових умовах хмарності України генерування електричної енергії комбінованими фотоелектричними модулями складає 1/10-1/20 енергії одержаної влітку. Обсяг одержаної теплової енергії настільки незначний, що опріснювач 6 блокується електричним вентилем V5 в ручному режимі (V1 при цьому відкривається) і вся теплова енергія надходить у ферментаційну камеру біогазової установки 19, хоча, можливо, доцільніше замінити опріснювач на акумулятор теплової енергії з резервним нагрівачем, живлення якого відбувається від централізованої електричної мережі в нічний час по пільговому тарифу. В зимовий період головним елементом управління тепловими режимами в ферментаційній камері біоустановки 19 є диференційний регулятор А7, (теплова енергія в основному надходить за допомогою насоса Р1 з геотермального акумулятора 28, через відкритий байпасний електроклапан V11 (V12 закритий). Недолік тепла з метою забезпечення теплових режимів генерації біогазу покривається газовим пальником 21. Електрична енергія комбінованими фотоелектричними модулями 1 зимою в умовах хмарності генерується на рівні близько 5-7 %, але охолодження вони в цей період не потребують. Накопиченої на акумуляторі 10 енергії повинно бути достатньо для періодичного включення мішалки 27. Окремі сонячні години викликають невеликий рівень зростання теплової та електричної генерації в комбінованих фотоелектричних модулях 1 і геліоколекторах 3, що в свою чергу приводить до економії газу на пальнику 21. Розтоплення снігового покрову на верхньому прозорому покритті комбінованих фотоелектричних модулів 1 відбувається включенням насоса Р1 в ручному режимі і за умови відкритих електроклапанів V12, V3,V4 і V9. Таким чином, теплова і електрична енергії, одержані в літній період двоконтурною системою, накопичуються і краще зберігаються у вигляді стисненого метану в газгольдері, коефіцієнт втрат якого значно нижчий ніж коефіцієнт втрат теплового і електричного акумуляторів. А в зимовий період підтримання температури, необхідної для отримання біогазу у ферментаційній камері біогазової установки 19, відбувається за допомогою геотермального акумулятора 28 і газового пальника 21, а надлишки біогазу, очищеного від сірководню та вуглекислого газу системою 23 та стисненого до певного тиску через клапан V25 надходять до локальної або централізованої газової мережі. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Двоконтурна комбінована геліосистема, що містить два теплові контури з датчиками температури, датчиками рівня рідини та диференційними терморегуляторами, один з яких містить комбіновані фотоелектричні модулі, а другий - геліоколектори, біогазової установки з системою очищення та опріснювача, в яких розташовано нагрівачі, з'єднані за допомогою електричних блокуючих і байпасних клапанів з циркуляційними насосами фотоелектричних модулів та геліоколекторів, а також акумулятора електричної енергії, який з'єднано з керованим мережевим інвертором, яка відрізняється тим, що біогазова установка містить додатковий нагрівач, який виконано у вигляді газового пальника, а теплові контури додатково оснащені ґрунтовим геотермальним акумулятором, що розташовано послідовно за нагрівачем біогазової установки. 4 UA 113300 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5