ГЕЛИОТЕПЛОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ТЕКУЧИМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ ДЛЯ ГЕЛИОТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Российский патент 2009 года по МПК F24J2/34 

Изобретение относится к гелиоэнергетическим комплексам, преобразующим солнечные лучи в тепловую энергию, аккумулирующим ее и распределяющим по объектам потребления с целью производства товарной тепловой и электрической энергии.

В основе предлагаемого изобретения находится создание таких конструкций гелиотеплопреобразователей, в которых применяются темные поверхности, поглощающие солнечные лучи, транспортируемые теплоносители в виде воздуха, специальных газов или жидкостей с повышенной теплоемкостью и теплопроводностью, переносящих тепловую энергию солнечной радиации в теплоаккумуляторы, содержащие теплонакопители - теплоаккумулирующие материалы в виде сыпучих веществ (например, щебня и песка), жидких сред (например, воды, минеральных масел, расплавленных парафинов, кремнийорганических соединений) или их смесей и снабженные средствами регулирования давления и скорости текучего теплоносителя в них. При этом теплоаккумуляторы являются теплоизолированными накопителями и источниками тепловой энергии заданной мощности на заданный, часто длительный период, и они обеспечивают тепловой энергией технологические средства гелиотеплоэлектростанций для выработки товарной тепловой и электрической энергии.

Известны технические решения в этой области, среди которых наиболее близкими для промышленной реализации, по мнению авторов, в результате изучения патентной и научно-технической информации, являются следующие.

Устройство, созданное патентом РФ №2200915 «Способ создания мощных гелиоэнергоустановок» (F24J 2/42, опубл. 20.03.2003 г.), содержит теплоаккумулирующую емкость, погруженную в водную среду водоема, заполненную водой как теплоаккумулирующим материалом и ограниченную по периметру посредством стенок и днища, изготовленных с помощью полимерной пленки, закрепленной на гибком проволочном каркасе, и теплоизолированную от окружающей среды светопроницаемым куполом. Над открытой поверхностью теплоаккумулирующей емкости под светопроницаемым теплоизолирующим куполом размещена платформа, изготовленная из гибкого проволочного каркаса, заполненного воздухопроницаемым гелиопоглощающим материалом, в частности, металлическими плитками со сквозными отверстиями. В этой гелиотеплопреобразующей конструкции воздухопоток из внешней среды в качестве транспортируемого теплоносителя проходит над теплоаккумулирующей водной средой, нагреваемой солнечными лучами через светопроницаемое покрытие, и далее проходит снизу вверх через указанную гелиопоглощающую воздухопроницаемую платформу, в которой дополнительно нагревается энергией солнечной радиации, и направляется к средствам съема и преобразования тепловой энергии гелиотеплоэлектростанций, в том числе на вход ветротурбоэлектроагрегата, снабженного управляемой тяговой трубой. Данное устройство является реализуемым в промышленных масштабах и может обеспечить выработку электроэнергии значительной мощности. Однако, в данном устройстве конструкция гелиопреобразующей его части требует улучшения, в первую очередь, сокращения длины траектории движения теплоносителя и повышения его температуры. Наиболее существенным недостатком его является однократное прохождение воздуха как теплоносителя над теплоаккумулирующей емкостью с водной поверхностью и через гелиопоглощающую воздухопроницаемую платформу, под светопроницаемым куполом, для преодоления чего требуется создание циркуляционных каналов теплоносителя. Поэтому в известной конструкции для получения заданной мощности гелиоэнергоустановки требуется увеличение поверхностей теплоаккумулирующей емкости и воздухопроницаемой платформы, и следовательно, удельной стоимости гелиотеплопреобразователя относительно целесообразного уровня для таких гелиоэнергетических объектов. Требуется также более качественное теплоизолирующее покрытие теплоаккумулирующей емкости.

Устройство, созданное патентом РФ №2199023 «Ветроэнергетический комплекс» (F03D 9/00, F24J 2/42, опубл. 20.02.2003 г.), содержит теплоаккумулирующую емкость с использованием щебня как теплоаккумулирующего материала, накрытого светопроницаемым теплоизолирующим материалом, поверхность которого под светопроницаемым куполом вбирает в себя тепловую энергию солнечных лучей. Воздух как теплоноситель проходит из окружающей среды снизу через полости, пустоты между камнями горячего щебня и, нагреваясь, поступает в зону тыльной стороны ветроколеса и ускоряет его вращение. Под щебнем размещено воздухопроницаемое несущее основание.

В данном случае имеет место тот же главный недостаток, что и в первом случае, - однократное прохождение теплоносителя через теплоаккумулирующую емкость. Как и в первом случае, необходимо в данной установке применение циркуляционных каналов теплоносителя. Положительным фактором является прохождение воздуха как теплоносителя через толстый слой щебня, имеющий высокую (заданную) суммарную теплоемкость и низкую удельную стоимость, что позволяет использовать его как наполнитель теплоаккумулирующей емкости с заполнением свободных полостей в нем газовым или жидкостным теплоносителем.

Оба приведенных устройства содержат базовые элементы технического решения, которое является основой для создания более совершенного гелиотеплопреобразующего устройства и целью настоящего предлагаемого изобретения.

Задачей последнего является разработка такой конструкции теплоаккумулирующей емкости в совокупности с теплоаккумулирующим материалом и теплоносителем, такой траектории движения транспортируемого теплоносителя и такого конструктивного совмещения гелиопоглощающей поверхности с этой траекторией и светопроницаемыми теплоизолирующими поверхностями, чтобы объемы и расстояния перемещения теплоносителя были минимизированы, теплопотери в системе значительно снижены, а удельная себестоимость гелиотеплопреобразователя на созданной конструктивной основе получила бы перспективу устойчивого снижения до величины удельной себестоимости котлов ТЭЦ и даже ниже, несмотря на применение в качестве первичного источника тепловой энергии низкопотенциальной солнечной энергии.

Технический результат настоящего решения, согласно предлагаемому изобретению, заключается в том, что, в отличие от указанного прототипа, применены днище и боковые поверхности - стены теплоаккумулирующей емкости из жесткого пенистого материала, например газобетона, пенобетона или пеностекла, с высоким содержанием теплоизолирующих пузырьков в нем, так что его удельные вес и себестоимость являются низкими при весьма малой теплопроводности. При этом днище из пенистого теплоизолирующего материала располагается на ровном несущем основании, например на грунтовом со щебеночной и песчаной подготовкой, так чтобы его вертикальная нагрузка на сжатие была равномерной. Стены теплоаккумулирующей емкости, образующие ее боковой периметр, выполнены из плит пенистого материала, закрепленных к специально созданной ажурной опорной конструкции, отделяющей их от внешней среды (грунтовой, воздушной или водной), содержащей в ее свободной внутренней полости теплоизолирующую текучую среду, подключенную к системе утилизации (полезного использования) тепловых потерь, которые поступают в нее из внутренней полости теплоаккумулирующей емкости. Кроме того, последняя снабжена также верхним теплоизолирующим покрытием, которое выполнено с применением нижнего и верхнего слоев жесткого пенистого материала, а между ними размещен промежуточный слой из гибкого или сыпучего воздухонасыщенного материала с особо высокими теплоизоляционными свойствами посредством вертикальных удерживающих перегородок.

Основной опорной базой верхнего теплоизолирующего покрытия теплоаккумулирующей емкости является сам теплоаккумулирующий материал и текучий теплоноситель, размещенные в теплоаккумулирующей емкости, причем давление в последнем задается и стабилизируется автоматическими средствами, что значительно удешевляет конструкцию. Стены теплоаккумулирующей емкости удерживаются под давлением ее внутренней среды, указанной ажурной несущей конструкцией, а кроме того - специально установленными предварительно напряженными конструкциями из труб, канатов или балок прямоугольных сечений, закрепленных к ажурным несущим конструкциям, между их противоположными сторонами.

Таким образом, в отличие от указанного прототипа теплоаккумулирующая емкость выполнена в оригинальной конструкции, обеспечивающей высокий уровень теплоизоляции, теплоутилизацию тепловых потерь, а также ее устойчивость и долговечность.

Гелиотеплогенерирующая конструкция в данном техническом решении также содержит значительную модернизацию устройств по вышеуказанным патентам в виде создания их высокоэффективного технологического аналога. Она выполнена в виде пустотелого короба с гелиопоглощающими верхним или нижним основаниями, посредством чего транспортируемый (прокачиваемый) теплоноситель нагревается солнечными лучами в солнечный период времени и уносит тепловую энергию во внутреннюю среду теплоаккумулирующей емкости, непрерывно циркулируя между ними, для чего содержатся соответствующие средства для обеспечения циркуляции (кругооборота) теплоносителя. Эти средства - воздухокомпрессоры, вентиляторы или гидронасосы с соответствующей аппаратурой и трубопроводами. При этом применены короткие теплоизолированные трубопроводы в циркуляционных каналах, вследствие чего температура нагрева теплоносителя на входе в теплоаккумулирующую емкость определяется, главным образом, допустимыми физико-химическими характеристиками теплоносителя и может достигать или превышать 100°С, а в специальных случаях - достигать 200 и более °С. При этом, вместо массива мелких сквозных каналов для прохождения воздуха как теплоносителя в гелиопоглощающей платформе прототипной конструкции, в новом техническом решении применены соответственно расположенные сквозные отверстия в верхнем покрытии теплоаккумулирующей емкости, заделанные трубопроводами, и применены трубопроводы, подключенные к циркуляционному каналу, что представляет собой также высокоэффективный технологический аналог прототипной конструкции.

Для снижения теплопотерь в окружающую среду от указанных гелиопоглощающих коробов, над последними, согласно предлагаемому изобретению, размещены вторые - верхние короба, вместо куполов в прототипных конструкциях, выполненные в виде светопроницаемых теплоизолирующих конструкций с замкнутой теплоизолирующей воздушной (или специальной газовой) средой, которая подключается периодически, через временные интервалы, или с регулированием скорости непрерывного протока текучей среды - преимущественно воздуха, в соответствии с интенсивностью теплопотерь, к дополнительным средствам утилизации теплопотерь. В составе гелиотеплопреобразователя применены также технологические проходы и проезды, а поверхности технологических проходов теплоизолированы боковыми сторонами пирамидообразных гелиоконцентраторов, расположенных над указанными коробами, причем теплоаккумулирующие емкости термодинамически соединены с соответствующими потребителями тепловой энергии. Все это обеспечивает решение главной задачи - значительное повышение КПД гелиотеплопреобразователя, температуры в теплоаккумулирующем материале и запаса тепловой энергии впрок.

Частными техническими результатами предлагаемого изобретения являются резко сниженная удельная себестоимость гелиотеплопреобразователя, позволяющая осуществлять массовое строительство гелиотеплоэлектростанций, возможность культивирования растительных насаждений на отведенной для энергетического производства территории, надежность и долговечность работы энергетического комплекса и ряд других.

Указанный технический результат, с учетом вышеизложенного, при осуществлении предлагаемого изобретения достигается тем, что относительно известного устройства, включающего теплоаккумулирующую емкость, заполненную преимущественно сыпучим теплоаккумулирующим материалом, преимущественно щебнем, и текучим транспортируемым теплоносителем, в частности газовой средой, например воздухом, или жидкой средой, например водой, причем она выполнена с помощью теплоизолирующих днища и стенок, а также верхнего теплоизолирующего покрытия в виде воздухопроницаемой гелиопоглощающей платформы с применением на ней металлических пластин или листов темного цвета со сквозными отверстиями в них, соединяющими их поверхности с внутренней средой теплоаккумулирующей емкости, воздушную полость, размещенную над последними, внешний периметр которой ограничен закрепленной над ней светопроницаемой теплоизолирующей поверхностью, циркуляционный канал с применением агрегатов, транспортирующих жидкие и/или газообразные материалы, посредством которого внутренняя среда теплоаккумулирующей емкости соединена с указанной воздушной полостью, за счет чего создан теплонакопительный термодинамический контур с текучим теплоносителем, и второй циркуляционный канал, соединяющий при помощи термодинамических средств внутреннюю полость теплоаккумулирующей емкости со средствами съема и преобразования тепловой энергии, включенными в состав технологического оборудования гелиотеплоэлектростанции, за счет чего создан теплосъемный термодинамический канал, передающий тепловую энергию по ее технологическому назначению, имеются отличия в том, что верхнее покрытие теплоаккумулирующей емкости выполнено посредством конструктивного совмещения жесткого теплоизолирующего материала, как несущей подложки, твердого пенистого материала и/или легкого воздухонасыщенного наполнителя с повышенными теплоизоляционными свойствами, размещено на теплоаккумулирующем материале как на основной опорной базе и снабжено расчетным количеством и технологически заданным расположением названных сквозных отверстий, с трубными вставками в них, и, по меньшей мере, над частью его наружной поверхности установлены пустотелые гелиопоглощающие короба, основания каждого из которых изготовлены из темного теплопроводного материала и/или светопроницаемого теплоизолирующего материала в сочетании с темными поверхностями нижних оснований и герметично накрыты светопроницаемыми теплоизолирующими конструкциями в виде светопроницаемых теплоизолирующих вторых - верхних коробов, создающих замкнутую теплоизолирующую воздушную среду над ними, при этом данные короба выполнены вытянутыми в длину, преимущественно, с севера на юг, их поперечные боковые стороны содержат проходные проемы и средства соединения их между собой, за счет чего они состыкованы в длину в транспортабельные группы, подключенные к внутренней среде теплоаккумулирующей емкости по теплонакопительным циркуляционным каналам, а замкнутая теплоизолирующая воздушная среда, расположенная в светопроницаемых теплоизолирующих верхних коробах и их групповых соединениях, подключена как средство утилизации теплопотерь к теплоаккумулирующей емкости и/или к указанному технологическому оборудованию гелиотеплоэлектростанции с помощью дополнительных теплоизолированных воздухопроводов, при этом теплоаккумулирующая емкость, которая, в свою очередь, вытянута в длину преимущественно с запада на восток, снабжена предохранительными средствами защиты от избыточного колебания давления и измерителями температуры ее внутренней среды, а между смежными гелиопоглощающими коробами на внешней поверхности теплоизолирующего верхнего покрытия теплоаккумулирующей емкости образованы технологические проходы, примененные одновременно для возделывания культивируемых растений, причем внутренняя среда последней связана термодинамическими средствами, по меньшей мере, с одним тепловым преобразователем, который своим горячим теплоотводом присоединен при помощи теплопередающих средств к названным средствам съема и преобразования тепловой энергии гелиотеплоэлектростанции, при этом названная внутренняя среда теплоаккумулирующей емкости термодинамически связана также с электротермическим преобразователем, подключенным к источнику электрической энергии гелиотеплоэлектростанции.

Отличие состоит также в том, что на поверхности почвы или над ней с помощью теплоизолирующих подложек размещены, преимущественно параллельно теплоаккумулирующей емкости, дополнительные гелиопоглощающие короба, накрытые светопроницаемыми теплоизолирующими верхними коробами в качестве средства утилизации тепловых потерь, снабженные технологическими проходами между ними, при этом данные короба размещены в параллельные ряды, вытянутые в длину, а теплоаккумулирующая емкость и параллельные ей ряды дополнительных гелиопоглощающих коробов снабжены технологическими проездами между ними, которые применены одновременно для выращивания овощей, ягод и других культивируемых растений, в частности, в посадочных емкостях, расположенных на технологически определенной высоте над уровнем почвы, и для размещения сооружений двойного назначения - энергетического и хозяйственно-экономического, с применением их наружных поверхностей для установки лучеотражающих конструкций и закрепленных к поверхностям этих сооружений подобных гелиопоглощающих коробов, включенных в названные циркуляционные каналы с текучим теплоносителем, а их внутренних пространств - для размещения преимущественно теплогенерирующих технологических процессов.

Отличие и в том, что параллельно по отношению к названной теплоаккумулирующей емкости размещены подобные теплоаккумулирующие емкости с расположенными над ними гелиопоглощающими коробами в аналогичных конструкциях и созданными между ними технологическими проходами и проездами, при этом теплоаккумулирующие емкости и гелиопоглощающие короба включены в соответствующие системы циркуляционных каналов посредством теплоизолированных воздухопроводов и/или водопроводов.

Отличие также в том, что днище и стенки теплоаккумулирующих емкостей выполнены с применением пенистого жесткого теплоизолирующего материала, установлены, по меньшей мере частично, посредством котлованов, отрытых в земле, снабжены гидроизоляцией и закреплены по периметру посредством ажурных воздухопроницаемых несущих конструкций, закрытых от внешней среды теплоизолирующим влаго-ветроустойчивым материалом, а созданные с помощью этого свободные теплоизолированные полости заполнены теплоутилизирующей текучей средой, которая подключена к средствам съема и преобразования тепловой энергии, включенным в состав технологического оборудования гелиотеплоэлектростанции, при этом верхние теплоизолирующие покрытия теплоаккумулирующих емкостей как кровли размещены на конструктивно заданной высоте относительно уровня почвы, а гелиопоглощающие короба снабжены гелиоконцентраторами, выполненными в виде лучеотражающих поверхностей.

Отличие в том, что в нем в качестве текучего теплоносителя применено жидкое вещество, а гелиопоглощающие короба выполнены с повышенным давлением в нем посредством применения темных металлических плоских трубопроводов, снабженных разъемными гидравлическими соединениями на торцах, причем в качестве теплоаккумулирующего материала в теплоаккумулирующей емкости применены сыпучий материал и/или аналогичная теплоносителю жидкость.

Отличие в том, что верхние основания гелиопоглощающих коробов выполнены посредством высокотемпературного стекла и/или его технического аналога, их боковые стороны изготовлены как гелиопоглощающие и гелиоотражающие из прочного теплоизолирующего материала, а нижние основания выполнены также из теплоизолирующего материала с очернением и гидроизоляцией в качестве днищ гелиопоглощающих коробов, и последние состыкованы между собой в длину, чем создана плоская, вытянутая в длину преимущественно с севера на юг, теплонакопительная светопроницаемая полость, при этом над последней герметично установлена вторая светопроницаемая теплоизолирующая полость, внутренняя воздушная среда которой подключена к средствам утилизации тепловых потерь, поступающих в последнюю.

Отличие в том, что боковые стороны и основания гелиопоглощающих и расположенных над ними светопроницаемых теплоизолирующих коробов выполнены в условиях высокопроизводительного заводского производства как единые удлиненные, неразъемные конструкции фиксированной транспортабельной длины, снабженные средствами для последующего герметичного соединения их между собой и с магистральными трубопроводами, за счет чего данные короба образуют типовые сборочные единицы, включающие одну входную и одну выходную торцевые стороны, при этом данные типовые сборочные единицы устанавливаются на верхнем теплоизолирующем покрытии теплоаккумулирующей емкости и/или над ним на технологически заданной высоте.

Отличие и в том, что с внутренней средой теплоаккумулирующей емкости с помощью термодинамических средств связан второй трубный коллектор из теплопроводного материала, подключенный своим входом к источнику жидкого рабочего тела с пониженной точкой кипения, а своим выходом - посредством паропровода к паровой турбине как к одному из названных средств съема и преобразования тепловой энергии теплоаккумулирующей емкости.

Отличие также в том, что теплоутилизирующая среда, созданная с помощью ажурных воздухопроницаемых несущих конструкций по периметру теплоаккумулирующей емкости, связана с помощью термодинамических средств с тепловым насосом и/или тепловым трансформатором, подключенным выходной стороной к средствам съема и преобразования тепловой энергии, входящим в состав технологического оборудования гелиотеплоэлектростанции.

Отличие еще и в том, что при наличии значительных свободных водных пространств, морских акваторий, его теплоаккумулирующая емкость размещена в водной среде автономно и/или совместно с комплексом оборудования гелиотеплоэлектростанции.

Дальнейшие пояснения по сути предлагаемого изобретения будут даны на основе Фиг.1-5, посредством которых представлен один из вариантов его реализации.

На Фиг.1 дан пример принципиальной схемы конструкции гелиотеплопреобразователя.

На Фиг.2 показан вариант конструкции гелиопоглощающих коробов и утилизации тепловых потерь.

На Фиг.3 дан вариант расположения оборудования гелиотеплопреобразователя в плане.

На фиг.4 приведен пример принципиальной схемы конструкции и размещения гелиоконцентраторов с атмосферной защитой.

На Фиг.5 показан пример кинематической схемы поворота подложки гелиопоглощающего короба и светопроницаемого теплоизолирующего короба.

Гелиотеплопреобразователь, согласно предлагаемому изобретению, включает в себя теплоаккумулирующую емкость 1, внутренняя среда которой содержит в качестве теплоаккумулирующего материала щебень 2 и воздушный теплоноситель 3, заполняющий свободные полости между камнями щебня, гелиопоглощающий короб 4 с движущейся воздушной средой 3 как теплоносителем в его внутренней полости, охваченной гелиопоглощающим теплопроводным материалом его верхнего основания 5 и боковых сторон 6, в данном случае - темным металлом, и циркуляционный теплонакопительный канал, состоящий из всасывающего трубопровода-воздухопровода и воздушного компрессора 7, показанных на Фиг.1 под одним номером как единая конструкция, предельное избыточное давление воздуха на выходе которого не превышает 3 атм и, преимущественно, составляет 0,05-0,2 атм, внутренней полости гелиопоглощающего короба 4, сквозных отверстий 8 и внутренней воздушной среды теплоаккумулирующей емкости 1 (Фиг.1), через которую проходят воздушные потоки 3 (показаны стрелками). Возможны исполнения гелиотеплопреобразователя, в котором в качестве теплоаккумулирующего материала применено жидкое вещество, например вода, расплавленный парафин, глицерин, тосол, кремнийорганические соединения или другое. Эти вещества могут быть применены при этом также в качестве текучего теплоносителя. Кроме того, такой текучий теплоноситель может быть применен во взаимодействии с сыпучим теплоаккумулирующим материалом.

В данном конкретном примере реализации стенки и днище теплоаккумулирующей емкости 1 выполнены из внутреннего 9 и внешнего 10 слоев пенобетона, разделенных опорными вставками 11. Воздушный зазор 12 между указанными слоями выполняет функции дополнительной весьма значительной теплоизоляции. При этом, если температура воздуха в верхней части воздушного зазора 12 достигает определенного предельного уровня, фиксируемого датчиком температуры 13, включаются пневмоклапан 14 и вспомогательный воздушный компрессор 15, благодаря чему необходимый объем горячего воздуха направляется к средствам 16 съема и преобразования тепловой энергии гелиотеплоэлектростанции, в частности, к технологическому оборудованию, воздействующему на центральный энергетический воздухопоток последней.

Одновременно с этим датчик давления 17 и другой вспомогательный воздушный компрессор 18 с обратным клапаном 19 восстанавливают давление воздуха в воздушном зазоре до заданного значения, которое может превышать давление воздуха 3 во внутренней среде теплоаккумулирующей емкости 1. Предельно допустимое давление воздуха в воздушном зазоре 12 ограничивается предохранительным воздушным клапаном 20, и его величина соответствует прочностным характеристикам теплоизоляционного материала и конструктивным параметрам стенок и днища теплоаккумулирующей емкости. Последние покрыты гидроизоляцией, которая на иллюстрациях не показана, а к воздушному зазору 12 подключена водяная помпа 21, периодически откачивающая накапливающийся в нем водный конденсат, который возникает в результате охлаждающего действия почвы 22 (условно охвачена кривой линией). В последней отрыт котлован для размещения теплоаккумулирующей емкости 1, верхнее теплоизолирующее покрытие 23 которой находится на некоторой, конструктивно заданной, высоте над верхним уровнем 24 почвы 22, удобной для технологического обеспечения и технического обслуживания гелиотермопреобразователя, а также с учетом геологических характеристик почвы.

В более практичном варианте исполнения теплоаккумулирующей емкости вместо опорных вставок 11 используются ажурные несущие конструкции из бетонных, пенобетонных или из другого материала стоек и балок, к которым с внутренней стороны крепятся теплоизолирующие гидроизолированные панели пенистого материала, а с наружной стороны - гидроизолирующие и теплоизолирующие пластины, пленочные материалы, которые воспринимают на себя внешнюю грунтовую или ветровую (над поверхностью грунта) нагрузку. Внутренняя полость между наружной и внутренней теплогидроизолирующими поверхностями, в которой размещены ажурные несущие конструкции, может быть заполнена вместо воздушной среды любым другим текучим материалом, например, водой. Теплоизолирующий материал во внутренней полости 12 воспринимает тепловые потери от теплоаккумулирующего материала, которые во всех исполнениях устройства адсорбируются тепловым насосом или другим тепловым (температурным) преобразователем из состава средств 16, входящих в состав гелиотеплоэлектростанции. Таким образом реализуется один из каналов утилизации теплопотерь посредством внутренней полости 12 - один из теплоутилизирующих циркуляционных каналов. Кроме того, с целью снижения стоимости устройства, опорные вставки 11 или ажурные несущие конструкции между внутренними 9 и наружными 10 теплоизолирующими слоями днища, преимущественно, не устанавливаются. Однослойное гидроизолированное днище выполняется, как правило, из более толстого слоя пенистого материала, выдерживающего удельную нагрузку на сжатие не менее 5 атм. Составное (многослойное) теплоизолирующее верхнее покрытие 23 теплоаккумулирующей емкости устанавливается, как на основную несущую базу, на теплоаккумулирующий материал (в том числе с жидкой средой) посредством эластичных прокладок (не показаны на Фиг.1), обеспечивающих сейсмоустойчивость конструкции. При этом отверстия 8 снабжаются трубопроводами по всей их длине, с герметизацией.

В других вариантах исполнения теплоаккумулирующей емкости 1 вместо пенобетона может быть применено пеностекло, пенопласт или другие, непрерывно совершенствующиеся, теплоизоляционные материалы, а наружный слой 10 теплоизоляции может быть заменен упрочняющим слоем, исключающим осыпание почвы 22 в воздушном зазоре 12.

Внутренняя полость теплоаккумулирующей емкости 1, в свою очередь, оснащена средствами стабилизации давления воздуха 3 в соответствии с заданной величиной. Для этого установлен датчик давления 25 и управляемый выпускной пневмоклапан 26 с обратным клапаном 27. С другой стороны теплоаккумулирующей емкости 1 установлен вспомогательный подающий воздухокомпрессор 28 с обратным клапаном 29, который может быть заменен воздухомагистралью (показана пунктиром) с рядом резервных каналов, датчиков давления 30 и предохранительных воздушных клапанов 31.

Верхнее теплоизолирующие покрытие 23 теплоаккумулирующей емкости 1 изготовлено из жесткого теплоизоляционного пенистого материала. В других вариантах оно может быть изготовлено из пенобетона с внутренними слоями теплоизолирующего материала, из полистирола, с внутренним наполнением, например, воздухонасыщенной крошкой.

Указанное верхнее теплоизолирующее покрытие, выполненное, преимущественно, из строительных блоков наподобие известных панелей потолочных перекрытий, расположено на поверхности щебня 2 как на основной опорной базе (это позволяет усилить теплоизолирующие свойства его за счет частичного снижения прочности), который одновременно является и теплоаккумулирующим материалом, с необходимым выравниванием уровня его поверхности за счет подсыпки тонкого слоя мелкого щебня и крупного песка. Если в теплоаккумулирующей емкости 1 использован другой теплоаккумулирующий материал, в частности вода, то и в этом случае он (она) является основной опорной базой для верхнего покрытия 23 (с соответствующей гидроизоляцией), с устройством вспомогательных локальных опорных участков (например, посредством трубных конструкций), закрепленных на площади днища теплоаккумулирующей емкости, и с созданием в процессе эксплуатации небольшого избыточного давления, определяющего величину равномерного подъемного усилия (на такой своеобразный потолок). Возможны конструкции и в этом случае без применения вспомогательных опорных стоек.

На наружной поверхности верхнего покрытия 23 теплоаккумулирующей емкости 1 установлен ряд гелиопоглощающих коробов с промежутками между ними - технологическими проходами. В рассматриваемом варианте гелиотеплопреобразователя по Фиг.1, гелиопоглощающий короб 4 (каждый из них) выполнен из темного металлического листа путем формирования его верхнего основания 5, боковых сторон 6 и отбортовок - горизонтальных полок для их герметичного закрепления к верхнему покрытию 23. Солнечные лучи 32 в дневное время поступают на наружные поверхности 5, 6 гелиопоглощающего короба и преобразуются на них в тепловую энергию, за счет чего воздухопоток 3 в его внутренней полости нагревается и уносит ее основную часть во внутреннюю среду теплоаккумулирующей емкости 1 (скорость воздухопотока 3 регулируется в зависимости от интенсивности солнечной радиации). Другая часть тепловой энергии теряется в окружающую среду. С целью уменьшения теплопотерь гелиопоглощающий короб 4 охвачен светопроницаемой теплоизолирующей конструкцией - вторым коробом 33, содержащим светопроницаемое верхнее основание 34, выполненное, например, из тонкого листового стекла, боковые стороны 35, также выполненные, в частности, из гелиопоглощающего или лучеотражающего материала, и аналогичные горизонтальные отбортовки, предназначенные для совместного закрепления с гелиопоглощающим коробом 4 к верхнему покрытию 23 теплоаккумулирующей емкости 1. В других исполнениях гелиотеплопреобразователя гелиопоглощающие короба могут размещаться на специальной конструкции над верхним теплоизолирующим покрытием теплоаккумулирующей емкости на определенной высоте, в результате чего создаются дополнительные посадочные площади для возделывания растений. Светопроницаемое теплоизолирующее основание 34 и боковые стороны 35 создают над гелиопоглощающим коробом 4 теплоизолирующую воздушную среду 3, которая существенно снижает теплопотери последнего. Однако, ввиду плоской конструкции светопроницаемого короба 33 с доминирующим размером верхнего основания 34, указанные теплопотери остаются все же весьма значительными, как в известных инженерных конструкциях водных гелионагревателей. С целью их дополнительного существенного сокращения его воздушная теплоизолирующая среда 3 прокачивается, согласно предлагаемому изобретению, по второму, воздушному, циркуляционному каналу, утилизирующему тепловые потери, во внутреннюю воздушную среду теплоаккумулирующей емкости 1. Данный циркуляционный теплоутилизирующий канал включает в себя внутреннюю теплоизолирующую и теплопоглощающую воздушную среду светопроницаемого короба 33, воздухопроводы 36, воздушный компрессор или вытяжной вентилятор 37, воздухопровод 38 с его распределительным окончанием во внутренней среде теплоаккумулирующей емкости, саму названную воздушную среду 3 в ней и воздухопровод 39, подключенный к внутренней полости светопроницаемого короба 33 и замыкающий кругооборот воздухопотока - воздушный теплоутилизирующий циркуляционный канал. Кроме того, в состав последнего входят магистральные трубопроводы 40, 41, 42, которые запараллеливают соответствующие участки следующих трубопроводов: а) короткие участки подвода воздухопотока от общего трубного вывода 39 из внутренней среды теплоаккумулирующей емкости 1 через магистраль 40 к каждому из общего количества светопроницаемых теплоизолирующих коробов 33; б) короткие участки отвода воздухопотока от последних через магистраль 41 и общий воздухонаправляющий агрегат 37 в общий трубопровод 38, вводящий воздухопоток во внутреннюю среду теплоаккумулирующей емкости 1; в) горизонтальные участки трубопроводов 38, размещенные по ширине и длине последней посредством магистрали 42 в среде теплоаккумулирующего материала - щебня 2, которые с помощью воздухоотводящих отверстий 43 распределяют тепловую энергию данного воздухопотока в более холодных нижних слоях щебня, с целью передачи им части тепловой энергии, теряемой гелиопоглощающим коробом 4. На Фиг.1 не показан второй канал (или второй вариант) утилизации теплопотерь гелиопоглощающего короба, подключаемый в случае высокого нагрева также и нижних слоев щебня 2 от полости 33 через дополнительный воздушный клапан (на Фиг.1 не показан) к средствам 16 съема и преобразования тепловой энергии. В последнем случае конвективные теплопотери гелиопоглощающего короба будут утилизированы практически полностью, в рамках общей технологии всей гелиотеплоэлектростанции.

В других исполнениях гелиотеплопреобразователя, заполненного текучим теплоносителем, в частности, воздухом или специальным газом повышенной теплоемкости и теплопроводности, или жидкостью, например, водой, могут быть применены гелиопоглощающие плоские трубопроводы, что более эффективно по условиям герметизации, выполненные, например, посредством экструзии из алюминия, с внутренними упрочняющими продольными ребрами-перегородками, с последующим зачернением верхней наружной поверхности алюминия. При этом на торцах этих трубопроводов устанавливаются посредством сварки, приклейки, связки цементным раствором фланцы, снабженные разъемными гидравлическими соединениями с последующим подключением к ним подводящих-отводящих трубопроводов, в том числе заменяющих сквозные отверстия 8 (создающие определенные неудобства в процессе эксплуатации). Указанные сквозные отверстия наиболее эффективны при создании схем самоциркуляции текучего теплоносителя (воздушного или жидкого) без использования компрессоров или заменяющих их агрегатов и внешних трубопроводов. Однако, в этом случае существенно снижаются гибкость управления процессами теплопередачи, точность соблюдения режимов управления давлением теплоносителя и удобство в эксплуатации. Учитывая невысокую удельную стоимость оборудования циркуляционных каналов, представленных на Фиг.1, при существенной мощности и габаритах гелиотеплопреобразователя сквозные отверстия, выполняемые в теплоизолирующем верхнем покрытии 23, преимущественно, заменяются внешними трубопроводами, моделирующими в нем воздухопроницаемые каналы и сквозные отверстия 8.

Значительное снижение стоимости гелиотеплоаккумулятора с текучим теплоносителем связано с другими факторами. Одним из них является более глубокая интеграция конструкций гелипоглощающего (4) и светопроницаемого теплоизолирующего (33) коробов и дальнейшее снижение их общих теплопотерь. Вариант такого решения представлен на Фиг.2. Здесь в гелиопоглощающем коробе 4 роль гелиопоглощающей поверхности выполняет подложка 44, на которой крепится сам короб 4 и которая является его нижним основанием, располагаемым и, преимущественно, фиксируемым на верхнем теплоизолирующем покрытии 23 теплоаккумулирующей емкости 1, а верхнее основание 5 выполняется из светопроницаемого материала - стекла (или тонкой стеклянной пленки, при ее наличии, которая относится к высокопрочным материалам со стабильными химико-физическими свойствами). Светопроницаемый короб 33, как и в предыдущем случае, имеет верхнее основание в виде листового стекла или стеклянной, полимерной пленки, а нижнее основание является открытым, то есть представленным боковыми его сторонами. На Фиг.2 крепление обоих коробов к общему основанию-подложке 44 осуществляется аналогично, посредством наложения и закрепления отбортовок (боковых отгибов по всему периметру). Это - принципиальная схема взаимосвязи и герметизации коробов 4, 33 и подложки 44. Однако, практически, их боковые стороны совмещены в данном варианте в одну интегрированную, удешевленную конструкцию из теплоизолирующего материала, снабженную внутренними полками для закрепления оснований 5 и 34, которые в силу ясности и простоты на иллюстрациях не показаны. Боковые стороны имеют толщину и жесткость, достаточные для герметичного закрепления подложки 44 ко всей конструкции, имеют высоту, ориентировочно, 300 мм, согласно суммарной высоте обоих коробов, и изнутри покрыты, преимущественно, лучеотражающей поверхностью. Размер общего периметра обоих, интегрированных между собой, коробов 4, 33 определяется, ориентировочно, размером их боковых сторон 1000×1000 мм, что определяется легко доступным оборудованием для высокопроизводительного изготовления таких интегрированных конструкций. В смежных стыкуемых сторонах выполнены соответствующие проемы для герметичной закладки в них, в виде узких щелевых или цилиндрических, конических втулок с целью прохождения через них текучего теплоносителя (в гелиопоглощающем коробе 4 и теплоизолирующей, а также теплопоглощающей и теплопередающей воздушной среде светопроницаемого воздухонаполненного короба 33), что позволяет состыковать и смонтировать такие короба на любую длину. Стеновая коробка гелиопоглощающих коробов размером, ориентировочно, 1000×1000 мм изготавливается преимущественно из бетона, газобетона, пластика, пеностекла, металла, как и их закладные проходные втулки, с простейшим закреплением втулок и соединением всей конструкции с подложкой посредством цементного раствора, при надежной герметизации конструкций в условиях низкого избыточного давления текучего теплоносителя в коробе 4 и протекающей воздушной среды в коробе 33. Теплоизолирующая подложка 44 изготавливается аналогичным способом, в частности, совместно со стеновой коробкой как единое целое, что на иллюстрациях не показано, и потому в целом интегрированная конструкция обоих указанных коробов в таком варианте является дешевой. Эти же конструкции могут изготавливаться и как древесно-стружечные изделия или из других теплоизолирующих материалов достаточной прочности, с высокой адгезией соединений при помощи клеящих материалов или связывающих растворов, или при изготовлении стеновой коробки и подложки как цельной конструкции. Выполненные как одно целое короба 4 и 33 со стенками, ориентировочно, 1000×1000 мм соединяются между собой группами по несколько штук посредством закладных (коротких) проходных втулок неразъемно в условиях заводского производства, а не на строительной площадке, с его высокими производительностью и качеством, как легкие участки длиной 3-15 или более м, удобные для транспортировки и монтажа, которые, в свою очередь, соединяются теперь уже разъемными соединениями непосредственно на теплоаккумулирующей емкости, в длинные конструкции на всю ширину последней. Эти участки заканчиваются проходными втулками, которые стыкуются вкладкой одной из них в другую, в собранном на заводе герметизированном виде, и стягиваются уже при монтаже на строительной площадке, посредством, в частности, резьбы, с уплотняющими прокладками. Таким высокопроизводительным способом транспортируемые участки коробов (выбранной оптимальной длины) заводского изготовления, как типовые сборочные единицы, стыкуются друг с другом и могут образовывать конструкции с двумя указанными параллельными внутренними полостями любой длины (на многие десятки м) с высоким качеством герметизации, притом в условиях низких давлений теплоносителя и замкнутой воздушной среды. Это - основа снижения стоимости гелиотеплопреобразователя с учетом того, что периметр и внутренняя среда теплоаккумулирующей емкости в данной конструкции могут быть весьма дешевыми (по удельной стоимости). В отдельных вариантах гелиотеплопоглощающие подложки 44 могут не выполняться, при создании лучепоглощения посредством верхнего теплоизолирующего покрытия 23 с темной поверхностью, в частности, тонколистовой накладкой или нанесением темного покрытия, красителя.

Поток текучего теплоносителя согласно конструкции по Фиг.2 через гелиопоглощающий короб 4 осуществляется аналогично изложенному выше, за исключением сквозных отверстий 8 (Фиг.1) - с их заменой на трубопроводы 45 равнозначного назначения. Поток воздушной среды 3 через короб 33 осуществляется также согласно Фиг.1, за исключением трубопроводов 46, подключенных параллельно трубопроводам 39 через вентили 47. В данном случае трубопроводом 39 воздух 3 изымается из воздушной подушки, созданной наклоном верхнего теплоизолирующего покрытия 23 теплоаккумулирующей емкости 1, или из нижней части внутренней среды последней - трубопроводом 46 при высоком нагреве верхнего уровня теплоаккумулирующего материала. Отвод воздухопотока 3 к средствам 16 съема и преобразования тепловой энергии, как это показано на Фиг.1 применительно к воздушным зазорам 12, на Фиг.2 не показан.

При размере теплоаккумулирующей емкости 1 по ширине до 10 м воздушная подушка формируется за счет наклона верхнего покрытия 23 последней, как показано на Фиг.1, 2. При этом теплоаккумулирующая емкость оказывается вытянутой в длину с запада на восток. Однако, при большей ее ширине устанавливается воздушная подушка 48 - воздушный «мешок», который создается в средних или нижних слоях теплоаккумулирующего материала 2 с помощью жесткого плоского короба или наклонного листа. Пунктиром на Фиг.1 показано подключение охлаждающей воздушной подушки 48 к циркуляционному воздушному каналу. Применение такого воздушного «мешка» целесообразно в случае использования в качестве текучего теплоносителя жидкости вместо воздуха, длительное совмещение которой с воздухом нежелательно. В случае применения воды в качестве теплоносителя, - или даже в качестве теплоаккумулирующего материала, - циркуляция воздухопотока в ней допустима при максимально возможном охвате ее поперечного сечения за счет использования удлиненных горизонтальных участков трубопроводов с рядом воздуховыпускных отверстий 43 в них. Если применяется вода в качестве теплоаккумулирующего материала, то воздушная подушка 48 на любой высоте относительно днища теплоаккумулирующей емкости 1 может создаваться за счет применения полимерной пленки, резины. В таком случае воздух из светопроницаемого теплоизолирующего короба 33 может эффективно охлаждаться до температуры нижних слоев теплоаккумулирующего материала 2 и снова поступать на его вход в рамках циркуляционного канала. Если применяется соленая (морская) вода в качестве теплоаккумулирующего материала вместо щебня, то воздушные полости - подушки могут применяться для циркуляции опресненного небольшого количества воды, чтобы в гелиопоглощающем коробе 4 и трубных каналах не образовывалась накипь. Также и теплоутилизирующий поток воздуха (газа) 3 в светопроницаемом теплоизолирующем коробе 33 должен быть обессоленным, очищенным, для чего полости 48 также применимы.

На Фиг.1 показана установка в теплоаккумулирующей емкости 1 теплосъемного трубного коллектора 49 из теплопроводного материала, в котором циркулирует вспомогательное жидкое рабочее тело, передавая ее тепловую энергию к средствам 16 (к средствам съема и преобразования тепловой энергии в технологическом оборудовании гелиотеплоэлектростанции, схема которой на иллюстрациях не показана; ее варианты могут быть различными, но в первую очередь - это гелиоаэробарические теплоэлектростанции согласно вышеприведенным патентным материалам). В данном примере вход трубного коллектора 49 подключен к источнику 50 вспомогательного жидкого рабочего тела, а выход - к температурному преобразователю 51 (повышающему «трансформатору» температуры), например тепловому насосу, который своим горячим теплоотводом 52 подключен с помощью теплопередающих средств (условно показаны стрелкой 53) к указанным средствам 16. В качестве температурного преобразователя 51, в частности, может быть применен вращающийся механический активатор жидкости, например воды, корпус которого (горячий теплоотвод 52) находится в тепловом контакте (показано стрелкой 53) с приемниками и преобразователями повышенной температуры (или высокой температуры) в составе средств 16. Выход из трубного коллектора 49 вспомогательного рабочего тела, после его охлаждающей релаксации, поступает на вход источника 50 непосредственно или через дополнительные технологические устройства (что показано пунктиром со стрелкой). Трубный коллектор 49 может быть установлен не в теплоаккумулирующей емкости, а в отдельно расположенной емкости, внутренние среды которых соединены термодинамически.

На Фиг.3 показан вариант размещения оборудования гелиотеплопреобразователя в более сложной композиции, близкой к реальной компоновке по условиям строительства гелиотеплоэлектростанций. Здесь в плане показано размещение двух теплоаккумулирующих емкостей 54 и 55, в дополнение к теплоаккумулирующей емкости 1 (Фиг.1), которая в плане не показана, разделенных продольными технологическими проездами 56 и 57 соответственно с наземными теплоизолирующими панелями-подложками 58 и 59, на которых размещены дополнительные гелиопоглощающие короба 4 (в любой из трех описанных конструкций, при этом светопроницаемые теплоизолирующие короба 33 с утилизацией теплопотерь на Фиг.3 не показаны). Обе теплоаккумулирующие емкости отличаются между собой тем, что одна из них (54) выполнена с сыпучим теплоаккумулирующим материалом и воздухом в качестве теплоносителя как более высокотемпературная (с рабочей температурой более 100°С), что соответствует представленной на Фиг.1, а другая (55) - с водой в качестве теплоаккумулирующего материала и теплоносителя как агрегат с более низкой температурой (с рабочей температурой ниже 100°С).

Обе теплоаккумулирующие емкости 54, 55 отличаются от представленной на Фиг.1 тем, что сверху на них размещены по два параллельных ряда гелиопоглощающих коробов 4, соединенных между собой попарно и с внутренними средами этих теплоаккумулирующих емкостей трубопроводами 60 последовательно в рамках циркуляционных каналов и с помощью параллельно соединяющих трубопроводов 61, аналогичных по назначению коллекторным трубопроводам 41 (Фиг.1), которые обеспечивают ввод текучего теплоносителя в каждую из этих теплоаккумулирующих емкостей соответственно. Последние выполнены вытянутыми в длину с запада на восток, а гелиопоглощающие короба размещены на них поперек, с севера на юг, и между ними расположены технологические проходы 62. Торцевые смежные окончания теплоаккумулирующих емкостей 54, 55 разделены поперечным технологическим проездом 63, на территории которого размещен объект 64 двойного назначения - энергетического и хозяйственно-экономического. Их энергетическое назначение имеет три основных аспекта: а) на их кровле размещены аналогичные гелиопоглощающие короба 4 с технологическими проходами 62 между ними (для технического обслуживания); б) на их стенах размещены, преимущественно, лучеотражающие панели 65, выделенные на Фиг.3 утолщенными линиями, хотя на них могут быть размещены и гелиопоглощающие короба 4, включенные в соответствующий теплонакопительный циркуляционный канал; в) в их внутренних помещениях организованы экзотермические процессы, например, горячая обработка продуктов питания, металлургическое производство изделий из алюминия или стеклянных пленок для нужд строительства гелиотеплоэлектростанций и как товаров народного потребления, высокотемпературные теплопотери которых направляются, преимущественно, к указанным теплопреобразующим средствам 16. Они могут направляться и для утилизации в теплоаккумулирующие емкости (эти связи на иллюстрациях не показаны). Их хозяйственно-экономическое назначение заключается в производстве продуктов с высокой потребительской и рыночной стоимостью, которые вырабатываются на площадях гелиотеплопреобразователя, при одновременном совмещении энергетических процессов.

Лучеотражающие панели 65 устанавливаются и в ряде других мест гелиотермопреобразователя, что показано утолщенными линиями. Лучеотражающие панели представляют собой вытянутые вверх плоские конструкции, покрытые слоем лучеотражающего (зеркального) материала, в частности, алюминиевой фольгой или пленкой с нанесенным посредством напыления тонким слоем алюминия (или других материалов, обладающих свойствами зеркального лучеотражения).

На панелях - теплоизолирующих подложках 58, 59, выполненных также вытянутыми в длину, параллельно теплоаккумулирующим емкостям, и размещенных непосредственно на подготовленной для этого поверхности почвы, гелиопоглощающие короба могут подключаться между собой в рамках теплонакопительных циркуляционных каналов последовательно или параллельно. На Фиг.3 условно показано размещение гелиопоглощающих коробов 4. Последних на панелях 58, 59 может быть установлено значительно больше - с целью достижения проектно заданного значения уровня температуры теплоаккумулирующего материала 2 (Фиг.1). В частности, на панели 58 гелиопоглощающие короба подключены по три штуки последовательно в две параллельные группы, а на панели 59 они подключены между собой параллельно в последовательном контуре прохождения теплоносителя в рамках циркуляционного канала. Подводы от соответствующих теплонакопительных циркуляционных каналов к гелиопоглощающим коробам 4 осуществляются трубопроводами 66. В обоих случаях они скомпонованы следующим образом.

В теплоаккумулирующую емкость 55 нагретый теплоноситель - вода поступает по трубопроводу 61 (далее по трубопроводам 45, с более равномерным тепломассообменом, согласно Фиг.2) и во внутренней полости ее масса и тепловая энергия распространяются согласно пунктирной линии 67. Вход-выход теплоносителя и движение его по циркуляционному каналу показаны стрелками 68. Выход теплоносителя из теплоаккумулирующей емкости 55 подключен через фильтр 69 к гидронасосу 70 и далее - к гидромагистрали 66, от которой параллельные каналы гелиопоглощающих коробов, в свою очередь, подключены к гидромагистрали 61, являющейся переходной к трубопроводу 45, что на Фиг.2, 3 не показано (осуществился круговой оборот теплоносителя в циркуляционном канале).

В циркуляционном канале теплоаккумулирующей емкости 54 отличие состоит лишь в следующем: а) гелиопоглощающие короба 4 на панели 58 подключены от магистрали 66 последовательно по 3 штуки в две параллельные группы; б) к последним подключены две параллельные группы гелиопоглощающих коробов 4 верхнего яруса, которые размещены над технологическим проездом 56 на опорных стойках на высоте, ориентировочно, 3 м. Далее аналогично подключены гелиопоглощающие короба 4, размещенные сверху над теплоаккумулирующей емкостью 54, которые соединяются выходной магистралью 61, являющейся одновременно входом в последнюю (круг соответствующего циркуляционного канала также замкнулся). За счет последовательного соединения гелиопоглощающих коробов 4 температура текучего теплоносителя может быть доведена до весьма высоких значений, учитывая, что в качестве него в теплоаккумулирующей емкости 54 применен воздух. Переключения гелиопоглощающих коробов в последовательные или параллельные группы имеют, преимущественно, сезонный характер, в то время как в течение одного дня температура теплоносителя задается и регулируется за счет управления скоростью течения последнего.

Технологические проезды 56, 57, кроме своего прямого технологического предназначения, используются и для других применений. В частности, как выше указано, над поверхностью почвы размещены гелиопоглощающие короба 4 с воздушными просветами 71 между ними, которые совпадают по своему расположению с технологическими проходами 62. Это позволяет солнечным лучам с южной половины небосвода поступать на последние, а также на поверхность почвы проезда 56. Указанные просветы закрыты над ним светопроницаемым теплоизолирующим материалом, чем почва проезда защищается от неблагоприятных атмосферных условий и осадков (отмечено на Фиг.3 штриховкой). Кроме того, на поверхности почвы проездов 56 и 57 высаживаются овощи и ягоды, а также другие культивируемые растения при условии проезда специального технологического транспорта (с высоким клиренсом) над ними. Более технологичным решением, однако, является размещение их в посадочных емкостях над поверхностью грунта, на высоте высадки около 1500 мм, чтобы технологический транспорт с обслуживающим персоналом мог проезжать под ними. На Фиг.3 показано пунктиром размещение опорной базы 72 для посадочных емкостей над технологическим проездом 57, а также частично - над проездом 56, хотя и над последним они могут быть размещены по всей длине.

Размещение светопроницаемых теплоизолирующих покрытий не только над технологическим проездами, но в целом над всеми объектами гелиотеплопреобразователя, позволяет обеспечить тепличное выращивание овощей, ягод и фруктов на его территории и в целом на территории гелиотеплоэлектростанции, которая на иллюстрациях в полном объеме не представлена. Эффективность одновременного производства энергии и тепличного культивирования растений исключительно высока: неизбежные тепловые потери при энергопроизводстве дают бесплатное тепло, стоимость которого вместе с освещением для теплиц является главной компонентой затрат; основные технологические конструкции для энергопроизводства одновременно являются базовыми для сооружения теплиц; атмосферозащита при ненастной погоде и уборка территории также являются обоюдно необходимым процессом. Важно добиться в конструкции гелиотеплопреобразователя такого положения, чтобы тепличное выращивание культивируемых растений было практически бесплатным приложением к энергопроизводству, без ограничения общей площади потребления солнечной энергии на отведенной для энергопроизводства территории. Такие конструктивные решения в процессе разработки данного предлагаемого изобретения найдены.

На Фиг.3 представлены дополнительно к вышеизложенному два варианта энергопотребления от гелиотермопреобразователя.

В верхней части внутренней среды теплоаккумулирующей емкости 54, в массе теплоаккумулирующего материала 2 (Фиг.1) размещен трубный коллектор 73 из теплопроводного материала, предназначенный для обеспечения тепловой энергией потребителей (наряду с передачей высокопотенциальной тепловой энергии к технологическим средствам 16, что на Фиг.3 не иллюстрируется). Входной конец трубного коллектора 73 подключен к трубопроводу 74, а выходной конец - к трубопроводу 75, которые совместно замыкают теплосъемный циркуляционный канал, включающий: а) теплопункт 76 по обеспечению поставок тепловой энергии потребителям согласно стандартным техническим решениям в данной отрасли хозяйства; б) циркуляционный гидронасос 77; в) фильтр 78; г) собственно внутреннюю среду теплоаккумулирующей емкости 54.

Направление движения технологической горячей жидкости как вспомогательного рабочего тела показано стрелками (79).

В теплоаккумулирующей емкости 55, содержащей в качестве теплоаккумулирующего материала и теплоносителя воду, расположен трубный теплопроводный коллектор 80, предназначенный для обеспечения тепловой энергией паровой турбины 81, работающей, преимущественно, с паром легко испаряемой жидкости. Входной трубопровод 82 трубного коллектора 80 подключен к источнику 83 жидкости с пониженной точкой кипения - легко испаряемой жидкости, а выходной трубопровод 84 - как паропровод на вход паровой турбины 81, выход которой подключен к холодильному агрегату 85, снабженному отдельным каналом 86 охлаждающей жидкости. Источник 83 жидкости с пониженной точкой кипения содержит емкость с конденсированной жидкостью, гидронасос, управляемые клапаны и фильтры (не показаны). Направление движения жидкости с пониженной точкой кипения и ее пара показано стрелками 87.

В качестве жидкости с пониженной точкой кипения могут использоваться как разрешенные к промышленному использованию фреоны, так и другие жидкости, вплоть до метилового и этилового спиртов.

На Фиг.4 приведен пример формы и оптимального размещения гелиоконцентраторов применительно к гелиотеплопреобразователям. Область 88 пространства, где размещен гелиопоглощающий короб 4, и область 89 пространства, где размещен светопроницаемый теплоизолирующий короб 33, расположены над теплоизолирующим верхним покрытием 23 теплоаккумулирующей емкости 1 (Фиг.1, 2). Эти области охватываются пирамидообразной пустотелой конструкцией, содержащей вытянутые в длину боковые стороны 90 как грани пирамиды, которые покрыты изнутри лучеотражающим зеркальным материалом 91 (показано пунктиром), а снаружи - 92. Солнечные лучи 32 поступают или непосредственно на гелиопоглощающую поверхность 93, расположенную на подложке 44, на поверхности покрытия 23, или на лучеотражающую сторону 90 (91) пирамидообразной конструкции, от которой они после отражения направляются на эту гелиопоглощающую поверхность.

Верхнее основание 94 пирамидообразной конструкции значительно превышает по площади ее нижнее основание, соответствующее площади гелиопоглощающего покрытия 93, и этим определяется коэффициент гелиоконцентрации. При этом, если ширина гелиопоглощающей поверхности 93 равна ширине технологических проходов 62 (Фиг.3) между гелиопоглощающими коробами 4, и они составляют величину по 1 м, оптимальная ориентировочная высота верхних оснований 94 пирамидообразной конструкции над теплоизолирующим верхним покрытием 23 составляет 3 м - по условиям попадания подавляющего количества солнечных лучей 32 на гелиопоглощающую поверхность подложки 44 в результате их отражений от боковых сторон 90 (91). Смежные боковые стороны пирамидообразной конструкции совмещаются между собой посредством боковых сторон оснований 94 по линиям 95, каждая из которых образует конек пирамидообразного покрытия технологических проходов 62. Последний может выполняться и в виде светопроницаемой поверхности небольшой ширины.

Торцевые поверхности пирамиды-гелиоконцентратора выполняются также с внутренними лучеотражающими поверхностями. Могут быть применены варианты, когда южная торцевая сторона выполняется светопроницаемой. Гелиоконцентраторы-пирамиды по длине равны ширине теплоаккумулирующих емкостей 1, 54, 55 (Фиг.1, 3) и могут составлять десятки м (при их ширине 1 и высоте 3 м). Аналогично - для технологических проходов 62, торцевые стороны которых закрыты светопроницаемым материалом, например полимерной пленкой, с откидными или съемными входными проемами. Солнечные лучи поступают в пространство над технологическими проходами, практически через южные торцевые проемы, если сверху не образована узкая светопроницаемая полоса. Для обеспечения культивируемых растений в технологических проходах достаточным количеством солнечных лучей и лучей малого количества источников ночного света, стороны их пирамидообразных конструкций покрыты изнутри лучеотражающим материалом 92.

Если последние выполнены из светопроницаемого материала, то внутренние зеркальные покрытия 91 будут оказывать достаточное лучеотражающее воздействие, без покрытий 92, на культивируемую растительность в технологических переходах. При этом поверхность их условного пола и посадочные емкости также оснащены лучеотражающим материалом 92, а на северной стороне расположены дополнительные полосы из лучеотражающего материала (на Фиг.4 не показаны). Такая конструкция объясняется тем, что растительность при однократном прохождении солнечных лучей обычно потребляет лишь 5-10% их энергии, тогда как при многократном отражении солнечных лучей в пространстве выращивания культивируемой растительности эта величина значительно увеличивается, и уровень входящей солнечной освещенности, а также электрической освещенности в темное время может (и должен) быть соответственно ниже.

При потребности увеличения ширины технологических проходов 62 и развития площади посадки культивируемых растений, с увеличением коэффициента концентрации солнечных лучей, высота пирамидообразных лучеконцентраторов должна быть пропорционально увеличена. Посадочные емкости 96 в технологических проходах, преимущественно, выполняются мобильными и съемными для обслуживания со стороны технологических проездов, поднятыми над поверхностью условного пола технологических проходов. Увеличение высоты верхних оснований 94 пирамидальных гелиоконцентраторов приводит к возможному относительному уменьшению ширины, площади и стоимости гелиопоглощающих и светопроницаемых теплоизолирующих коробов 4, 33 при одновременном увеличении посадочных площадей в технологических проходах. Отсутствие подобных гелиоконцентраторов над теплоаккумулирующими емкостями 1, 54, 55 (Фиг.1, 3) существенно снизит эффективность гелиотеплопреобразователей, увеличит срок окупаемости гелиотеплоэлектростанции, который может не превышать 2^х лет.

Так как верхние основания 94 пирамидообразных гелиоконцентраторов закрыты светопроницаемым материалом, создаются условия для стыковки вышеуказанных (заштрихованных) светопроницаемых поверхностей и гелиопоглощающих коробов 4 над технологическими проездами 56, 57 (Фиг.3) со светопроницаемыми покрытиями (основаниями 94) над гелиоконцентраторами и теплоаккумулирующими емкостями. Тем самым создаются локальные участки или полные территории тепличных светопроницаемых энергетических и хозяйственно-экономических объектов, из состава территорий, отведенных для строительства гелиотеплопреобразователей или в целом гелиотеплоэлектростанций.

Периодические атмосферные неурядицы могут наносить повреждения конструкциям гелиотеплопреобразователя. Повышение атмосфероустойчивости, защищенности этих конструкций будет более дорогим средством и будет связано со снижением эффективности гелиотеплопреобразователя при решении этой задачи повышением прочности конструкций и применяемых материалов. Поэтому, согласно предлагаемому изобретению, вся поверхность гелиотеплопреобразователя по локальным участкам шириной, ориентировочно, до 6-10 м покрывается высокопрочным перематываемым материалом 97, например стеклотканью, высокопрочной пленкой или другими материалами, в том числе над технологическими проездами 56, 57, 63 (Фиг.3). Для поддержания перематываемой поверхности, в частности, устанавливаются опоры 98 качения и/или скольжения. Процесс перемотки с запада на восток и обратно (или с севера на юг и обратно) осуществляется за счет установки перемоточных барабанов 99, 100 и их электроприводов 101, 102 с обоих концов защищаемого участка. На концевых участках к перематываемым полосам защитного материала закреплены натяжные канаты, нити 103, 104, показанные пунктиром. Они закреплены с одной стороны в отмеченных точках, а с другой стороны - относительно перемоточных барабанов 99, 100 (что не иллюстрируется). Если на перематываемый защитный материал 97 падает снег или град, песок - они сбрасываются в отведенные места в области перемоточных барабанов, для чего канаты, нити 103, 104 должны иметь соответствующую длину. В зимнее ночное время перематываемый материал 97 дополнительно утепляет всю конструкцию.

На Фиг.5 дан пример применения в гелиотеплопреобразователе поворотных подложек, использование которых целесообразно в средней и более северной полосе России, на узких теплоизолирующих панелях 58, 59 или теплоаккумулирующих емкостях 1. На теплоизолирующем верхнем покрытии 23 теплоаккумулирующей емкости 1, 54, 55 (при их малой ширине) или на теплоизолирующей панели 58, 59 (Фиг 3, 5) размещены поворотные гелиопоглощающие подложки 44 (Фиг.2), на которых герметично закреплены гелиопоглощающие и светопроницаемые теплоизолирующие короба (4, 33), что показано на Фиг.1, 2 в условиях неподвижной подложки 44. С целью поворота подложек 44 они закреплены посредством горизонтальных осей 105 к верхнему покрытию 23 теплоаккумулирующей емкости с южной стороны. С северной стороны установлены опорные стойки 106, на которых посредством блоков 107, 108 и шарниров 109 закреплены тросы 110, которые с помощью электроприводов 111 устанавливают заданный угол поворота подложки в соответствии с положением Солнца относительно линии горизонта (датчики положения Солнца и их присоединение к устройствам управления приводами-электроприводами на Фиг.5 не иллюстрируются).

Работает гелиотеплоаккумулятор, согласно предлагаемому изобретению, следующим образом.

Внутренняя полость теплоаккумулирующей емкости 1 заполнена крупным щебнем, между камнями которого свободно циркулирует воздух 3, являющийся в данном варианте гелиотеплоаккумулятора теплоносителем. Замкнутый теплонакопительный канал циркулирования воздушного теплоносителя (циркуляционный канал) включает в себя внутреннюю полость гелиопоглощающего короба 4, на теплогенерирующую поверхность которого (в приведенном примере - верхнее основание 5 и боковые стенки 6, отмеченные жирным шрифтом) поступают солнечные лучи 32, отверстия 8, через которые воздух поступает во внутреннюю среду теплоаккумулирующей емкости 1 и проходит через нее от южной стенки до северной, и всасывающий трубопровод-воздухопровод 7, соединенный в одно целое с компрессором (7), через которые воздух всасывается из теплоаккумулирующей емкости и поступает во внутреннюю полость гелиопоглощающего короба 4. Таким образом, солнечные лучи 32 нагревают движущийся в последней воздухопоток 3 (показан стрелкой), который, проходя через отверстия 8, нагревает щебень 2, продвигаясь через него и отдавая ему тепловую энергию, к воздухопроводу 7 под воздействием воздушного компрессора с аналогичным номером, составляющим единое всасывающее устройство.

Температура воздухопотока 3 на входе в теплоаккумулирующую емкость может значительно превышать 100°С, что определяется задаваемой-регулируемой посредством компрессора его скоростью (в зависимости от высоты Солнца над горизонтом), а также последовательным соединением нескольких гелиопоглощающих коробов 4, как показано на Фиг.3. Последние соединены трубопроводами 60 с наружным магистральным трубопроводом 61, который входит во внутреннюю среду темлоаккумулирующей емкости трубопроводами 45 (Фиг.2), взамен или в дополнение сквозных отверстий 8 (Фиг.1). Температура воздухопотока 3 на входе в теплоаккумулирующую емкость 1 зависит также от качества теплоизоляции гелиопоглощающего короба 4 и конструкции гелиоконцентратора со стенками 90 (91), как показано на Фиг.2, 4 (для примера показан только один из типов гелиоконцентраторов, расположенных над ним).

Теплоизоляция гелиопоглощающего короба 4 обеспечивается, в первую очередь, светопроницаемой воздухонаполненной конструкцией 33 - вторым, верхним светопроницаемым теплоизолирующим коробом, верхнее основание 34 и боковые стенки 35 которого (Фиг.2) ограничивают по периметру воздушную среду 3 со значительной высотой (250-300 мм и более). Как хороший теплоизолятор, воздух снижает теплопотери из гелиопоглощающего короба, однако в подобных конструкциях процессы конвекции являются все же существенным препятствием для высокой теплоизоляции. Поэтому светопроницаемый теплоизолирующий короб 33 дополнительно включен в систему утилизации теплопотерь, что достигается организацией регулярного тепломассообмена в воздушной среде светопроницаемого теплоизолирующего короба 33 и теплоаккумулирующей емкости 1. Нагретый воздухопоток из первого поступает в нижнюю часть последней, где теплоаккумулирующий материал 2 является наиболее холодным, посредством чего охлаждается и вновь поступает назад. В зависимости от высоты теплоаккумулирующей емкости 1, в конце летнего периода, теплоаккумулирующий материал в нижних ее слоях может приобрести также высокую температуру. Поэтому внутренняя полость верхнего короба 33 может быть подключена трубопроводом к средствам 16 съема и преобразования тепловой энергии гелиотеплоэлектростанции, точнее - к средствам формирования ее центрального энергетического воздухопотока (на иллюстрациях это не показано). За счет этого тепловая энергия конвективным путем из гелиотеплопреобразователя, практически, не теряется в окружающую среду. Ограничение лучевых теплопотерь в значительной мере достигается применением специальных гелиоконцентраторов, особая конструкция которых является предметом отдельного изобретения.

Воздушный слой 12 также является эффективным средством снижения теплопотерь через стенки теплоаккумулирующей емкости 1, тем более, что он подключен, как показано на Фиг.1, к средствам 16 съема и преобразования тепловой энергии гелиотеплоэлектростанции посредством управляемого пневмоклапана 14 и воздухокомпрессора 15 при участии датчика температуры 13. В связи с таким полезным отбором нагретого воздуха в верхней части воздушного слоя 12, в придонные слои его (показано условно) подается воздух из окружающей среды посредством компрессора 18, обратного пневмоклапана 19 с применением датчика давления 17 и предохранительного воздушного клапана 20. За счет применения описанных схем с компрессорами 15, 18, а также пневмоклапанов 26, обратных клапанов 27, датчиков давления 25 и подающих компрессоров 28, обратных клапанов 29, датчиков давления 30 и предохранителей 31 осуществляется не только воздушный тепломассообмен, но и тонкое управление величиной и соотношением давлений воздуха во внутренней среде теплоаккумулирующей емкости 1 и в воздушном слое 12. Предохранитель 31 (предохранительный воздушный клапан) и воздушный предохранительный клапан 20 выполняются преимущественно по дифференциальной схеме. Учитывая важность поддержания заданных давлений, указанных аппаратов по периметру теплоаккумулирующей емкости 1 устанавливается по несколько комплектов, как и исполнительных средств.

Если в качестве текучего рабочего тела или теплоносителя применено жидкое вещество, что позволяет в определенных случаях повысить энергоемкость гелиотеплопреобразователя, то подача теплоутилизирующего воздуха в ее среду связана с существенными ограничениями. Наиболее целесообразным решением в данном случае является создание в жидкой среде замкнутой воздушной полости 48, в частности из тонкого материала, в том числе и слабо эластичного, воздушные подводы и отводы которого показаны пунктиром (Фиг.1). В этом случае воздухопоток 3 из светопроницаемого теплоизолирующего короба 33 охлаждается нижним слоем теплоаккумулирующего материала через материал, охватывающий воздушную полость 48, чем осуществляются теплообмен и утилизация тепловых потерь из гелиопоглощающего короба 4. Воздушные полости 48 в сплошной жидкой среде могут изготавливаться посредством дешевых полимерных пленок, резиновых плоских трубопроводов и устанавливаться по всей длине теплоаккумулирующей емкости 1 и даже на разных глубинах с переключателями. Теплопередающие полости 48 необходимы также, если применен жидкий теплоаккумулирующий материал с повышенной соленостью, когда вместо обессоливания всего (большого) объема теплоаккумулирующего материала, через внутренние полости гелиопоглощающего короба 4 и приспособления 48 циркулирует небольшой замкнутый объем очищенного теплоносителя.

Цель создания мощных теплоаккумулирующих емкостей заключается в накоплении тепловой энергии для обеспечения технологических систем гелиотеплоэлектростанции. Для этого предусматривается соединение с ними теплосъемных средств. В частности, как показано на Фиг.1, в теплоаккумулирующей емкости 1 установлен теплопроводный трубный коллектор 49 (показан условно внизу), размещенный в верхних слоях теплоаккумулирующего материала, к которому на вход подключено вспомогательное жидкое рабочее тело, а выход его связан с температурным преобразователем 51 (температурным «трансформатором»). В качестве температурного «трансформатора» может быть применен известный, классический тепловой насос. Однако более дешевым и эффективным средством во многих случаях с применением теплоаккумулирующих емкостей является вращающийся механический активатор жидкости, в частности воды, с которого снимается повышенная температура относительно его входа. Такой тепловой преобразователь-«трансформатор» температуры забирает тепловую энергию из теплоаккумулирующей емкости при более низкой температуре и передает ее в технологические системы гелиотеплоэлектростанции при значительно увеличенной температуре с весьма высоким коэффициентом полезного действия. Тепловой отвод теплового преобразователя, в том числе теплового насоса, по тепловому каналу 53 (представлен стрелкой) передает повышенную температуру к технологическим средствам 16, входящим в состав оборудования гелиотеплоэлектростанции.

На Фиг.3 в теплоаккумулирующей емкости 54 размещен теплопроводный трубный коллектор 73, который посредством вспомогательного жидкого теплоносителя передает тепловую энергию в данном случае в теплопункт 76, в котором по известным инженерным решениям вырабатывается горячая вода для помыва и обогрева помещений. Горячая вода с выхода трубного коллектора 73 по теплоизолированному трубопроводу 75 с помощью фильтра 78 и гидронасоса 77 поступает в теплопункт 76, где отдает часть своей тепловой энергии и возвращается в охлажденном виде по трубопроводу 74 на вход трубного коллектора 73, где посредством теплоаккумулирующей емкости 1 снова нагревается до исходной температуры. Если температура во внутренней среде последней недостаточна по требуемым параметрам отпускаемой потребителям тепловой энергии, на выходе гидронасоса 77 или вместо него устанавливается аналогичный преобразователь тепловой энергии 51/52. Теплоаккумулирующая емкость 1 должна иметь такую теплоемкость и такой запас тепловой энергии, накопленный в солнечный период года, чтобы его было достаточно для теплоснабжения потребителей в малосолнечный период года согласно параметрам установленной мощности гелиотеплоэлектростанции, с учетом, конечно, и ветровой энергии, поступающей в последнюю.

В теплоаккумулирующей емкости 54 дополнительно устанавливается также электротермический преобразователь, через который в нее направляется избыток электрической энергии, вырабатываемой гелиотеплоэлектростанцией за счет периодического усиления естественного ветра, если последний используется в ней вместе с солнечной радиацией (на иллюстрациях не показано).

Если теплопункт 76 находится не на отдаленном расстоянии от теплоаккумулирующей емкости 54 или в ней вместо воздушного или газового теплоносителя применен высокотемпературный жидкий теплоноситель с высококонцентрированной в его удельном объеме тепловой энергией при высокой температуре, то трубный коллектор 73 может не устанавливаться, а в теплопункт (или в промежуточную вспомогательную емкость) может направляться по теплосъемному циркуляционному каналу непосредственно указанный теплоноситель.

Теплоаккумулирующая емкость 54 может решать и задачи только лишь теплоснабжения, и в таком случае она будет исполнять функции высокоэффективной гелиокотельной, потребность в которых при удалении от экватора значительно нарастает. Однако, преимущественно, теплоаккумулирующие емкости 1, 54, 55 (Фиг.1, 3) используются как для производства тепловой энергии, так и в качестве базовых средств полноценной электростанции - гелиотеплоэлектростанции с выработкой электрической энергии и посредством использования пара, преимущественно пара легко испаряемой жидкости, и посредством применения одновременно ветровоздушных потоков (ветра и воздуха окружающей среды, дополнительно насыщаемых энергетически за счет тепловой энергии теплоаккумулирующей емкости и за счет утилизации различных теплопотерь, в том числе тепловыделений при конденсации пара после прохождения его через паротурбогенератор).

В теплоаккумулирующей емкости 55 (Фиг.3) в данном примере в качестве теплоаккумулирующего материала и текучего теплоносителя применена вода. Здесь также применен теплопроводный трубный коллектор 80, обеспечивающий работу паровой турбины 81 с легко испаряемой жидкостью, классическим примером которой являются фреоновые паровые турбины. Однако, так как температура во внутренней среде теплоаккумулирующей емкости 55 находится, как правило, в диапазоне 50-80°С, то вместо фреона для работы паротурбогенератора могут применяться и другие жидкости, с температурой кипения, в худшем случае, до 50°С. При использовании же промежуточного теплового преобразователя-«трансформатора», в паровой турбине может использоваться даже обыкновенный водяной пар, так как посредством теплового «трансформатора» воду в промежуточной емкости можно нагревать для этих целей до температуры 150°С (в связи с созданием во вращающемся «трансформаторе» давления жидкости до 15-20 атм) и больше. Однако наиболее экономичным будет использование жидкости с пониженной точкой кипения, в диапазоне температур 20-50°С.

В приведенном примере на вход трубного коллектора 80 по трубопроводу 82 поступает легко испаряемая жидкость от источника 83, в котором она преобразуется в пар с заданными термодинамическими параметрами, и он поступает по трубопроводу-паропроводу 84 на вход паровой турбины 81, сочлененной с электрогенератором (на иллюстрациях не показан). Отработанный пар из турбины 81 поступает в холодильный агрегат 85, где конденсируется и поступает в накопитель 83 легко испаряемой жидкости как ее непрерывный источник для работы турбины (насосный агрегат, фильтры и предохранительные устройства на иллюстрациях не показаны). Для обеспечения холодильного агрегата требуются средства охлаждения, в качестве чего чаще всего применяется холодная вода (показано стрелкой 86). Использование тепловой энергии, выделяющейся в холодильном агрегате 85 при конденсации пара - так называемых тепловых потерь, требует важных технических решений (с целью повышения эффективности использования тепловой энергии теплоаккумулирующей емкости). Аналог такого решения в стандартных теплоэлектростанциях, с использованием градирен, является далеким от эффективности. Необходимые технические варианты утилизации теплопотерь применительно к конденсаторам пара и гелиотеплопреобразователям разработаны по аналогии с вышеизложенной теплопередачей от светопроницаемых теплоизолирующих коробов 33 (Фиг.1, 2) к теплоаккумулирующей емкости.

На Фиг.3, 4 показаны варианты использования технологических проходов и проездов. В связи с простотой и надежностью предложенной конструкции гелиотеплопреобразователя, его техническое обслуживание, и в частности, коробов 4, 33 и в целом его технологий прямого назначения, производится редко. Тем не менее гелиопоглощающие и светопроницаемые теплоизолирующие короба с их оборудованием все-таки нуждаются в периодическом доступе для надзора и текущего ремонта. Следовательно, для этой цели между последними должны быть размещены проходы, достаточные по ширине для проведения работ двумя специалистами. Оптимальной для проведения таких работ является ширина 0,5 м или несколько больше. Ширина указанных коробов, для удобства обслуживания их рабочим персоналом, составляет 1 м или несколько больше. Это означает, что на проходы в таком варианте будет отводиться не менее третьей части территории (без учета еще и технологических проездов). Поэтому в предложенном техническом решении предусмотрена установка специальных, дешевых гелиоконцентраторов непосредственно над коробами 4, 33 (Фиг.2, 3, 4), которые позволяют энергетически использовать и те солнечные лучи, прямая траектория которых ориентирована мимо коробов 4, 33 - на технологические проходы, с совмещением за счет них при этом также других, экономически эффективных функций. Фактически же указанные пирамидообразные гелиоконцентраторы, будучи относительно дешевыми, обеспечивают в гелиотеплопреобразователе двукратное увеличение мощности солнечной радиации при одной и той же отведенной территории.

Данные гелиоконцентраторы (Фиг.4) имеют вытянутую в длину пустотелую пирамидообразную форму, боковые стенки 90 которых покрыты лучеотражающим (зеркальным) материалом 91 изнутри, а их верхние светопроницаемые теплоизолирующие основания 94 пропускают внутрь солнечные лучи 32. За счет лучеотражений последние ориентируются в пространственную зону 89 верхних коробов 33, а далее - в пространственную зону 88 нижних гелиопоглощающих коробов 4. Их гелиопоглощающие поверхности значительно меньше верхних оснований со сторонами 94 гелиоконцентраторов, чем определяется коэффициент гелиоконцентрации. Для высококачественного отражения солнечных лучей 32 на гелиопоглощающую поверхность 93, угол наклона боковых стенок 90 (91) должен быть около 80° относительно горизонтальной гелиопоглощающей поверхности. Это определяет, что при ширине гелиопоглощающих коробов 4 и ширине технологических проходов 62 (Фиг.3) одинаковой величины, по одному метру, высота расположения верхних оснований 94 гелиоконцентраторов относительно гелиопоглощающих поверхностей 93 должна составлять около 3 м. При увеличении площади технологических проходов относительно площади гелиопоглощающих коробов, без существенных энергетических потерь солнечной радиации в гелиоконцентраторах, высота расположения оснований 94 должна быть соответственно увеличена. При этом увеличивается площадь гелиотеплопреобразователя, отводимая под теплицы, до 70% и больше.

Смежные боковые стороны оснований 94 совмещаются друг с другом по линиям 95, которые на Фиг.4 проектируются в точку, образуя вершину пирамидообразной поверхности, накрывающей сверху технологические проходы.

Уже это означает, что рабочий персонал может вести обслуживание коробов 4, 33 во время атмосферных осадков, непогоды, что повышает эффективность обслуживания. Вместе с тем, расширение площади технологических проходов, без существенной потери величины используемой по прямому назначению солнечной энергии, ориентирует на применение этих редко используемых при техническом надзоре площадей и пространств в других, совмещенных целях - для культивирования овощей, ягод и даже фруктов. С закрытием торцов образованных технологических пространств (светопроницаемым теплоизолирующим материалом) образуется нагреваемая объемная среда для тепличного культивирования растений, так как верхнее покрытие 23 теплоаккумулирующей емкости 1 (Фиг.1), при всем его качестве теплоизоляции, является теплогенерирующим основанием, обеспечивающим необходимые тепличные режимы. Для удобства технического обслуживания оборудования, культивируемые растения рассаживаются в передвижных посадочных емкостях, поднятых на небольшую высоту над поверхностью прохода.

Описанное техническое решение является весьма перспективным, остро необходимым для ближайшего будущего, в связи с интенсивным ростом численности населения, в том числе с учетом того, что данная конструкция гелиотеплопреобразователя приспособлена и для водного базирования, включая поверхностные и приповерхностные водные слои морей и океанов.

Так как вытянутые в длину боковые стороны гелиоконцентратора, пирамидообразно накрывающие технологические проходы - пространства, затемняют их таким образом, что солнечный свет поступает, главным образом, только через южные торцевые проходы, в устройстве, согласно изобретению, предусмотрено создание зеркальных - лучеотражающих помещений для теплично культивируемой растительности, в том числе: боковых лучеотражающих покрытий 92 (или светопроницаемых боковых стенок 90 с внутренним лучеотражающим покрытием 91 для гелиоконцентрации); поверхностей - верхних покрытий 23 на проходах и посадочных емкостей 92 (Фиг.4) с покрытием их лучеотражающими материалами. Известно, что при организации многократного отражения солнечных лучей в среде выращивания растений, их внешнее облучение может быть снижено. Именно этот эффект используется здесь. Кроме того, поверхности и пространства над гелиопоглощающими коробами и технологическими проходами закрыты дополнительно сплошным светопроницаемым теплоизолирующим слоем оснований 94, и потому из внутренней воздушной полости системы указанных гелиоконцентраторов может извлекаться нагретая воздушная среда для использования энергии теплопотерь, как конвективных, так и связанных с отражением лучей, в технологическом оборудовании гелиотеплоэлектростанций. Теплопотери, связанные с инфракрасным излучением коробов 4, 33, также существенно ограничиваются, однако, за счет технического решения, которое является предметом отдельного изобретения.

Технологические проезды 56, 57, 63 (Фиг.3) также используются как по энергетическому, так и по хозяйственно-экономическому назначению. В частности, над технологическими проездами на высоте около 3 м размещаются аналогичные гелиопоглощающие короба 4 на опорных стойках, которые используются, в свою очередь, для установки вертикальных лучеотражающих панелей, отмеченных жирными линиями, и для закрепления конструкций (72) посадочных емкостей (показаны пунктиром, Фиг.3). Посадочные емкости 96 размещаются на поперечных относительно проездов конструкциях 72, преимущественно, на высоте от 1,2 м и выше, так чтобы под ними проходили специальные тележки с обслуживающим персоналом.

В поперечном технологическом проезде 63 размещено, в качестве примера, строение 64 хозяйственно-экономического назначения, которых в различных проездах и/или по северному периметру гелиотеплопреобразователя может быть установлено несколько (много).

В данных строениях (64) размещаются, преимущественно, экзотермические технологические процессы, выпуск ценной продукции которых связан со значительными выделениями тепловой энергии, которая направляется на утилизацию. Кроме того, на поверхности стен и кровель этих сооружений устанавливаются аналогичные гелиопоглощающие теплоизолирующие короба 4, 33 (Фиг.1, 4), включенные в описанные выше циркуляционные каналы, а также лучеотражающие панели, где это экономически целесообразно.

Хозяйственно-экономические сооружения (64) для экзотермических технологий могут устанавливаться на катках, выполняться в колесных и подъемных конструкциях и состоять из разъемных технологических модулей с целью удобства их оперативных передислокаций. Утилизация тепловых потерь из экзотермических технологий может быть совмещена с конструкциями циркуляционных каналов, коробов 4, 33 и/или теплоизолирующих подложек 44 с гелиопоглощающими покрытиями (Фиг.3, 4). Такие сооружения (64) могут использоваться также для размещения в них определенного оборудования гелиотеплопреобразователя, в частности насосы, компрессоры и другое.

На Фиг.4 показана горизонтальная светопроницаемая поверхность, например, из полимерной или стеклянной пленки, которая образуется состыкованными между собой верхними основаниями 94 - входными окнами гелиоконцентраторов. На этом же уровне размещены гелиопоглощающие и светопроницаемые теплоизолирующие короба 4, 33, установленные над технологическими проездами, между которыми образованы продольные просветы, направленные соосно с технологическими проходами 62 на теплоаккумулирующих емкостях 54, 55 и панелях 58, 59 - теплоизолирующих подложках. Если указанные просветы закрыть светопроницаемым материалом, как показано штриховкой над проездом 56 (Фиг.3), то образуется сплошное светопроницаемое покрытие над всем гелиотеплопреобразователем на одном уровне, преимущественно, включая и сооружения 64. Тем самым гелиотеплопреобразователь преобразуется в сплошную (встроенную) теплицу, что и предусмотрено в настоящем техническом решении. Проблема возникает в том, что крупный град или снег могут повредить такое светопроницаемое теплоизолирующее покрытие своим весом или ударами при падениях. Поэтому на Фиг.4 показано еще одно важное техническое решение - посредством размещения над последним высокопрочного материала или пленки, перематываемых полосами шириной 6-10 м над гелиотеплопреобразователем по всей ширине, длине. В частности, пленка или стеклоткань 97 в качестве перематываемого материала растянута посредством тросов и параллельных нитей 103, 104 (показаны пунктиром) между перематывающими барабанами. Песок, снег, град, накапливающиеся на перематываемом материале 97, сбрасываются им в ту или другую стороны, за пределы гелиотеплопреобразователя, на убираемые участки. Таким образом убирается и защищается от повреждений вся поверхность гелиотеплопреобразователя. Перематываемый материал может быть светопроницаемым или темным, но преимущественно - светопроницаемым. В несолнечное время перематываемый материал занимает соответствующее положение и дополнительно утепляет защищаемую поверхность, при этом в дневное несолнечное время он пропускает внутрь и соответствующее количество дневного света, рассеянной энергии, что является полезным. Благодаря всему изложенному, работоспособность и надежность гелиотеплопреобразователя возрастает до необходимого и достаточного уровня.

На Фиг.5 приведено дополнительное техническое решение, связанное с поворотом теплоизолирующей подложки 44 - гелиопоглощающего основания гелиопоглощающего короба 4 (Фиг.1, 2). Осуществление такого регулируемого по углу поворота полезно, например, в средней и северной части России. Однако, оно реализуемо лишь при небольшой ширине теплоаккумулирующей емкости 1 (Фиг.1) или теплоизолирующих панелей 58, 59 (Фиг.3). Так как ширина технологических проездов 56, 63 всегда относительно невелика, то такой поворот на них почти всегда доступен. При этом теплоизолирующая подложка 44 закреплена и поворачивается относительно горизонтальной оси 105, размещенной с южной стороны, в то время как механизм подъема в составе элементов 106-111 расположен с северной стороны. Так как на гелиопоглощающих и светопроницаемых теплоизолирующих коробах 4, 33, расположенных на высоте 3 м или выше над технологическими проездами 56, 57, описанных по Фиг.4, подобные гелиоконцентраторы не устанавливаются, сложностей с одновременным поворотом их не возникает.

Предложенные технические решения, согласно предлагаемому изобретению, позволяют обеспечить низкую удельную стоимость (с перспективой дальнейшего ее снижения): теплоаккумулирующей емкости (применение дешевых и жестких пенистых материалов, удобных при строительстве, с количеством примесей воздушных пузырьков в них до 80÷90% их объема при фиксировании ее верхнего покрытия посредством собственно теплоаккумулирующего материала); гелиопоглощающих и светопроницаемых теплоизолирующих коробов с объединением их в единую технологичную конструкцию именно заводского изготовления (при эффективной стыковке их 3^х÷5^ти мых сборочных единиц посредством простейших разъемных соединений, с применением дешевых материалов, особенно с последующим переходом к применению тонких, дешевых и особо прочных стеклянных пленок); конструкций компоновок циркуляционных каналов с короткими трубными связями; технологических проходов и проездов с одновременным производством весьма ценных продуктов и совмещением этого производства с основными энергетическими процессами и гелиоконцентрацией; весьма эффективных компоновок гелиоаккумулирующих емкостей и установок гелиопоглощающих коробов на простейших грунтовых подложках; соединений теплоаккумулирующих емкостей со средствами съема и передачи тепловой энергии в эффективных конструкциях, в том числе с применением жидких теплоносителей и даже воды. Такие технические решения позволяют создать программы по снижению удельной себестоимости гелиотеплопреобразователей и гелиотеплоэлектростанций до величин, недоступных при использовании других - известных технических решений.

Данное техническое решение является весьма эффективным уже при реализации лишь первого пункта формулы изобретения, однако реализация ее последующих пунктов наращивает технико-экономическую эффективность предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области гелиоэнергетики. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций включает теплоаккумулирующую емкость, размещенную, по меньшей мере, частично, в котловане грунтовой поверхности, заполненную преимущественно щебнем как теплоаккумулирующим материалом, днище, стенки и верхнее покрытие которой выполнены из жесткого пенистого теплоизолирующего материала, а в качестве транспортируемого теплоносителя применены воздух или вода. На теплоизолирующем верхнем покрытии теплоаккумулирующей емкости размещены гелиопоглощающие короба, во внутренней полости которых циркулируют воздух или вода как теплоноситель, причем каждый из них покрыт сверху вторым светопроницаемым теплоизолирующим коробом, содержащим замкнутую теплоизолирующую воздушную среду, которая прокачивается системой утилизации теплопотерь через теплоаккумулирующую емкость, либо другие термодинамические установки. Гелиопоглощающие короба теплоизолированы от окружающей среды светопроницаемым материалом, причем в отдельных исполнениях сверху их расположен пирамидообразный внешний гелиоконцентратор, накрывающий своими вытянутыми в длину боковыми сторонами созданные между ними технологические проходы, которые применены также для возделывания культивируемой растительности. Параллельно теплоаккумулирующей емкости расположены непосредственно в почве и на почве другие такие емкости с аналогичным оборудованием и дополнительные гелиопоглощающие короба на теплоизолирующих подложках, между которыми созданы технологические проезды, которые одновременно применены для выращивания культивируемой растительности и размещения объектов двойного назначения - энергетического и хозяйственно- экономического. Теплоаккумулирующие емкости снабжены циркуляционными каналами, по которым их тепловая энергия передается по технологическому назначению, включая средства производства тепловой и электрической энергии. Гелиотеплопреобразователь позволяет осуществлять выработку тепловой энергии для гелиотеплоэлектростанций на отведенной территории с высокими технико-экономическими показателями и создан как типовой базовый технологический комплекс для самого широкого их строительства с высокой коммерческой и потребительской эффективностью, а также может сооружаться как экологически чистая и экономически эффективная гелиокотельная. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций, включающий теплоаккумулирующую емкость, заполненную преимущественно сыпучим теплоаккумулирующим материалом, преимущественно щебнем, и текучим транспортируемым теплоносителем, в частности газовой средой, например воздухом, или жидкой средой, например водой, причем она выполнена с помощью теплоизолирующих днища и стенок, а также верхнего теплоизолирующего покрытия в виде воздухопроницаемой гелиопоглощающей платформы с применением на ней, в частности, металлических пластин или листов темного цвета со сквозными отверстиями в них, соединяющими их поверхности с внутренней средой теплоаккумулирующей емкости, воздушную полость, размещенную над последними, внешний периметр которой ограничен закрепленной над ней светопроницаемой теплоизолирующей поверхностью, циркуляционный канал с применением агрегатов, транспортирующих жидкие и/или газообразные материалы, посредством которого внутренняя среда теплоаккумулирующей емкости соединена с указанной воздушной полостью, за счет чего создан теплонакопительный термодинамический контур с текучим теплоносителем, и второй циркуляционный канал, соединяющий при помощи термодинамических средств внутреннюю полость теплоаккумулирующей емкости со средствами съема и преобразования тепловой энергии, включенными в состав технологического оборудования гелиотеплоэлектростанций, за счет чего создан теплосъемный термодинамический канал, передающий тепловую энергию по ее технологическому назначению, отличающийся тем, что верхнее покрытие теплоаккумулирующей емкости выполнено посредством конструктивного совмещения жесткого теплоизолирующего материала как несущей подложки, твердого пенистого материала и/или легкого воздухонасыщенного наполнителя с повышенными теплоизоляционными свойствами, размещено на теплоаккумулирующем материале как на основной опорной базе и снабжено расчетным количеством и технологически заданным расположением сквозных отверстий, с трубными вставками в них, и, по меньшей мере, над частью его наружной поверхности установлены пустотелые гелиопоглощающие короба, основания каждого из которых изготовлены из темного теплопроводного материала и/или светопроницаемого теплоизолирующего материала в сочетании с темными поверхностями нижних оснований и герметично накрыты светопроницаемыми теплоизолирующими конструкциями в виде светопроницаемых теплоизолирующих вторых - верхних коробов, создающих замкнутую теплоизолирующую воздушную среду над ними, при этом данные короба выполнены вытянутыми в длину преимущественно с севера на юг, их поперечные боковые стороны содержат проходные проемы и средства соединения их между собой, за счет чего они состыкованы в длину в транспортабельные группы, подключенные к внутренней среде теплоаккумулирующей емкости по теплонакопительным циркуляционным каналам, а замкнутая теплоизолирующая воздушная среда, расположенная в светопроницаемых теплоизолирующих верхних коробах и их групповых соединениях, подключена как средство утилизации теплопотерь к теплоаккумулирующей емкости и/или к указанному технологическому оборудованию гелиотеплоэлектростанции с помощью дополнительных теплоизолированных воздухопроводов, при этом теплоаккумулирующая емкость, которая, в свою очередь, вытянута в длину преимущественно с запада на восток, снабжена предохранительными средствами защиты от избыточного колебания давления и измерителями температуры ее внутренней среды, а между смежными гелиопоглощающими коробами на внешней поверхности теплоизолирующего верхнего покрытия теплоаккумулирующей емкости образованы технологические проходы, примененные одновременно для возделывания культивируемых растений, причем внутренняя среда последней связана термодинамическими средствами, по меньшей мере, с одним тепловым преобразователем, который своим горячим теплоотводом присоединен при помощи теплопередающих средств к названным средствам съема и преобразования тепловой энергии гелиотеплоэлектростанции, при этом названная внутренняя среда теплоаккумулирующей емкости термодинамически связана также с электротермическим преобразователем, подключенным к источнику электрической энергии гелиотеплоэлектростанции.2. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что на поверхности почвы и/или над ней с помощью теплоизолирующих подложек размещены преимущественно параллельно теплоаккумулирующей емкости дополнительные гелиопоглощающие короба, накрытые светопроницаемыми теплоизолирующими верхними коробами в качестве средства утилизации тепловых потерь, снабженные технологическими проходами между ними, при этом данные короба размещены в параллельные ряды, вытянутые в длину, а теплоаккумулирующая емкость и параллельные ей ряды дополнительных гелиопоглощающих коробов снабжены технологическими проездами между ними, которые применены одновременно для выращивания овощей, ягод и других культивируемых растений, в частности, в посадочных емкостях, расположенных на технологически определенной высоте над уровнем почвы, и для размещения сооружений двойного назначения - энергетического и хозяйственно-экономического, с применением их наружных поверхностей для установки лучеотражающих конструкций и закрепленных к поверхностям этих сооружений подобных гелиопоглощающих коробов, включенных в названные циркуляционные каналы с текучим теплоносителем, а их внутренних пространств - для размещения преимущественно теплогенерирующих технологических процессов.3. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что параллельно по отношению к названной теплоаккумулирующей емкости размещены подобные теплоаккумулирующие емкости с расположенными над ними гелиопоглощающими коробами в аналогичных конструкциях и созданными между ними технологическими проходами и проездами, при этом теплоаккумулирующие емкости и гелиопоглощающие короба включены в соответствующие системы циркуляционных каналов посредством теплоизолированных воздухопроводов и/или водопроводов.4. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что днище и стенки теплоаккумулирующих емкостей выполнены с примением пенистого жесткого тепло-изолирующего материала, установлены, по меньшей мере, частично посредством котлованов, отрытых в земле, снабжены гидроизоляцией и закреплены по периметру посредством воздухопроницаемых несущих конструкций, закрытых от внешней среды теплоизолирующим влаго-, ветроустойчивым материалом, а созданные с помощью этого свободные теплоизолированные полости заполнены теплоутилизирующей текучей средой, которая подключена к средствам съема и преобразования тепловой энергии, включенным в состав технологического оборудования гелиотеплоэлектростанции, при этом верхние теплоизолирующие покрытия теплоаккумулирующих емкостей как кровли размещены на конструктивно заданной высоте относительно уровня почвы, а гелиопоглощающие короба снабжены гелиоконцентраторами, выполненными в виде лучеотражающих поверхностей.5. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что в нем в качестве текучего теплоносителя применено жидкое вещество, а гелиопоглощающие короба выполнены с повышенным давлением в нем посредством применения темных металлических плоских трубопроводов, снабженных разъемными гидравлическими соединениями на торцах, причем в качестве теплоаккумулирующего материала в теплоаккумулирующей емкости применены сыпучий материал и/или аналогичная теплоносителю жидкость.6. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что верхние основания гелиопоглощающих коробов выполнены посредством стекла и/или его технического аналога, их боковые стороны изготовлены как гелиопоглощающие и гелиоотражающие из прочного теплоизолирующего материала, а нижние основания выполнены также из теплоизолирующего материала с очернением и гидроизоляцией в качестве днищ гелиопоглощающих коробов, и последние состыкованы между собой в длину, чем создана плоская, вытянутая преимущественно с севера на юг, теплонакопительная светопроницаемая полость, при этом над последней герметично установлена вторая светопроницаемая теплоизолирующая полость, внутренняя воздушная среда которой подключена к средствам утилизации тепловых потерь, поступающих в последнюю.7. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что боковые стороны и основания гелиопоглощающих и расположенных над ними светопроницаемых теплоизолирующих коробов выполнены в условиях высокопроизводительного заводского производства как единые, удлиненные, неразъемные конструкции фиксированной транспортабельной длины, снабженные средствами для последующего герметичного соединения их между собой и с магистральными трубопроводами, за счет чего данные короба образуют типовые сборочные единицы, включающие одну входную и одну выходную торцевые стороны, при этом типовые сборочные единицы устанавливаются на верхнем теплоизолирующем покрытии теплоаккумулирующей емкости и/или над ним на технологически заданной высоте.8. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что с внутренней средой теплоаккумулирующей емкости с помощью термодинамических средств связан второй трубный коллектор из теплопроводного материала, подключенный своим входом к источнику жидкого рабочего тела с пониженной точкой кипения, а своим выходом - посредством паропровода к паровой турбине как к одному из названных средств съема и преобразования тепловой энергии теплоаккумулирующей емкости.9. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что теплоутилизирующая среда, созданная с помощью воздухопроницаемых несущих конструкций по периметру теплоаккумулирующей емкости, связана с помощью термодинамических средств с тепловым насосом и/или тепловым трансформатором, подключенным выходной, горячей стороной к средствам съема и преобразования тепловой энергии, входящим в состав технологического оборудования гелиотеплоэлектростанций.10. Гелиотеплопреобразователь с текучим теплоносителем для гелиотеплоэлектростанций по п.1, отличающийся тем, что его теплоизолированная теплоаккумулирующая емкость размещена в водной среде.