СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F03G6/04 F24S90/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к энергетике, а именно к солнечным энергетическим установкам, и может быть, в частности, использовано для генерирования электрической и тепловой энергии при децентрализованном и автономном энергообеспечении частных домовладений.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны устройства для генерирования электрической энергии, выполненные в виде солнечных электрических панелей, собранных из фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в электрический ток (материалы сети "Интернет").

Преимуществом данного типа панелей является простота их устройства, в частности отсутствие подвижных деталей.

Однако солнечные электрические панели подобного типа обладают и рядом существенных недостатков. В частности, на данный момент КПД лучших образцов данного типа панелей составляет менее 30%, что не является высоким показателем, кроме этого они теряют примерно по 1% своего КПД ежегодно в процессе эксплуатации (процесс деградации панелей). Кроме этого, в процессе работы в случае нагрева фотоэлектрических элементов свыше 55°С с дальнейшим увеличением их температуры на каждый градус эффективность фотоэлектрических преобразователей падает на 0.5% на каждый градус нагрева. Кроме этого, существенным недостатком данного типа панелей, особенно в местах с умеренным и холодным климатом, является невозможность прямой генерации тепловой энергии, необходимой, в частности, в системах горячего водоснабжения и отопления.

Известны также солнечные энергетические устройства, такие как солнечные коллекторы (материалы сети "Интернет"). Они представляют из себя устройства для сбора тепловой энергии солнца, переносимой видимым светом и ближайшим инфракрасным излучением. В отличие от солнечных электрических панелей, в солнечном коллекторе происходит нагрев жидкого или газообразного (воздух) теплоносителя. Различают плоские солнечные коллекторы и солнечные коллекторы, набранные из вакуумных нагревательных трубок (вакуумные солнечные коллекторы). Вне зависимости от своего устройства солнечные коллекторы применяются для горячего водоснабжения и отопления помещений.

Они обладают рядом преимуществ, а именно: они сравнительно просты по своему устройству, так как не имеют подвижных частей, их эффективность в процессе службы практически не уменьшается. При увеличении температуры нагрева принимающей поверхности солнечных коллекторов их эффективность только увеличивается. В целом солнечные коллекторы по сравнению с солнечными электрическими панелями обладают более высоким КПД - 30-70% (показатели могут варьироваться в зависимости от погодных условий).

Однако солнечные коллекторы обладают и существенным недостатком, а именно: с помощью солнечных коллекторов возможно генерировать только тепловую энергию и нельзя генерировать энергию электрическую, что недостаточно для полноценного децентрализованного и автономного энергообеспечения частных домовладений.

Таким образом, в случае децентрализованного или автономного энергообеспечения, например, частного домовладения существует необходимость в использовании одновременно двух типов солнечных панелей. А именно - фотоэлектрических. Для генерирования электрической энергии и плоских или трубчатых солнечных коллекторов, для генерирования тепловой энергии. Это требует использования большей площади для установки данных устройств, усложняет и удорожает установку и монтаж солнечных панелей и коллекторов и в целом удорожает стоимость установки и эксплуатации солнечной энергетической установки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей и техническим результатом изобретения является создание относительно простой и малогабаритной солнечной энергетической установки, способной одновременно генерировать как тепловую, так и электрическую энергию.

Достижение поставленной задачи решается в солнечной энергетической установке, содержащей по меньшей мере один плоский газовый солнечный коллектор, двигатель Стирлинга, линейный или роторный электрический генератор, теплообменник типа газ-жидкость, систему запуска двигателя Стирлинга в работу, системы автоматики по тепловой и электрической энергии.

Главными особенностями предлагаемого изобретения является то, что двигатель Стирлинга выполнен поршневым, содержит жидкостную рубашку охлаждения в виде теплообменника газ-жидкость и расположен в верхней части плоского газового солнечного коллектора, являющегося ресивером двигателя Стирлинга и соединенного с ним посредством входных/выходных патрубков для газообразного рабочего тела, воздействующего на поршни, а нагрев жидкости, используемой в системе теплоснабжения и/или отопления здания или сооружения, происходит в рубашке охлаждения посредством теплообмена с охлаждаемым в процессе рабочего цикла работы двигателя Стирлинга его газообразным рабочим телом, причем плоский газовый солнечный коллектор выполнен с возможностью выдерживать давление газообразного рабочего тела выше атмосферного и с возможностью естественной циркуляции рабочего тела внутри плоского газового солнечного коллектора.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для иллюстрации предлагаемой Солнечной энергетической установки прилагаются чертежи, на которых изображены:

Фиг. 1 - Общий вид Солнечной энергетической установки с двумя плоскими солнечными коллекторами и двигателем Стирлинга с несвободными поршнями и роторным электрическим генератором.

Фиг. 2 - Принципиальная схема Солнечной энергетической установки с двумя плоскими солнечными коллекторами и двигателем Стирлинга, с несвободными поршнями (снабженным кривошипно-шатунным механизмом) и электрическим генератором роторного типа.

Фиг. 3 - Общий вид Солнечной энергетической установки с одним плоским солнечным коллектором и свободно поршневым двигателем Стирлинга и линейным электрическим генератором.

Фиг. 4 - Принципиальная схема Солнечной энергетической установки с одним плоским солнечным коллектором и двигателем Стирлинга с несвободными поршнями и роторным электрическим генератором.

Фиг. 5 - Принципиальная схема Солнечной энергетической установки с двумя плоскими солнечными коллекторами и свободно поршневым двигателем Стирлинга и линейным электрическим генератором.

Фиг. 6 - Общий вид Солнечной энергетической установки с двумя плоскими солнечными коллекторами и свободно поршневым двигателем Стирлинга и линейным электрическим генератором.

Представленная на чертежах Солнечная энергетическая установка состоит из плоского/их солнечного/ых газового/ых коллектора/ов 1, которые в свою очередь состоят из внешнего прозрачного экрана 2, внешней абсорбирующей поверхности 3, внутренней абсорбирующей поверхности 4, задней теплоизолирующей панели 5, боковых стенок корпуса солнечного коллектора 6, внутренней полости солнечного коллектора 7, причем она выполнена с ребрами жесткости 8, которые жестко крепятся к внешней и внутренней абсорбирующим поверхностям, входных/выходных газовых патрубков 9. В верхней части плоских коллекторов (коллектора) установлен двигатель Стирлинга 10, внутри которого имеется/ются поршень/ни 11, подвижно установленный/е внутри рабочего/их цилиндра/ов 12.

В случае, если Солнечная энергетическая установка снабжена двигателем Стирлинга с несвободными поршнями (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг 4.), то на графических фигурах обозначен кривошипно-шатунный механизм 21, установленный в подшипниках 22, и роторный электрический генератор 23. Рабочие поршни, рабочие цилиндры, рубашки охлаждения рабочего/их цилиндра/ов, жидкий теплоноситель, теплообменник газ-жидкость имеют ту же нумерацию, что и на Фиг. 3, Фиг. 5, Фиг. 6 графических иллюстраций Солнечной энергетической установки, выполненной на основе свободно поршневых двигателей Стирлинга. На всех графических фигурах поз. 24 обозначены стрелки, условно показывающие циркуляцию газообразного теплоносителя внутри солнечных газовых коллекторов, поз. 25 - трубы входа и выхода жидкого теплоносителя в/из теплообменник/а газ-жидкость.

В случае, если двигатель Стирлинга выполнен в виде свободно поршневого двигателя (Фиг. 3, Фиг. 5, Фиг. 6), он снабжен линейным генератором 13, состоящий из постоянных магнитов 14, электрических катушек 15, возвратной/эх пружины/н 16. Рабочий цилиндр имеет жидкостную рубашку охлаждения 17, заполненную жидким теплоносителем 18 и выполнен в виде теплообменника газ-жидкость 19. Средняя часть свободно поршневого двигателя Стирлинга может иметь оребрение корпуса 20, для отвода тепла от постоянных магнитов, поз. 26, обозначен электрический провод выдачи электрической энергии от электрогенератора.

Предложенная Солнечная энергетическая установка работает следующим образом. В соответствии с иллюстрациями, солнечные лучи через прозрачный экран 2 плоского солнечного коллектора 1 нагревают внешнюю абсорбирующую поверхность 3, нагревая последнюю. Внешняя абсорбирующая поверхность, в свою очередь, передает часть своего тепла задней абсорбирующей поверхности 4 и ребрам жесткости 8. Находящееся под давлением внутри плоского солнечного коллектора газообразное рабочее тело нагревается до определенной температуры, достаточной для запуска двигателя Стирлинга в работу, при этом внутренняя полость плоского солнечного коллектора термически изолирована от внешней среды посредством боковых стенок 6, имеющих теплоизолирующее покрытие, и задней теплоизолирующей панели 5. Система запуска двигателя Стирлинга в работу кратковременно приводит во вращение двигатель Стирлинга (например, при помощи мотор-генератора или стартового электродвигателя) в случае использования двигателя Стирлинга с несвободными поршнями или циклично включает электрическую/и катушку 15 в случае использования двигателя Стирлинга со свободными поршнями и заставляет сборку с рабочим/и поршнем/ями 11 и постоянными магнитами 14 совершать возвратно-поступательные движения, при этом часть газообразного рабочего тела (в качестве рабочего тела могут быть использованы, например, сжатый воздух или сжатый гелий) попеременно то поступает в рабочий цилиндр 12 через входной/выходной патрубок 9, то вытесняется из рабочего цилиндра/ов рабочим/и поршнем/ми 11 во внутреннюю часть плоского солнечного коллектора 7 с возможностью свободно циркулировать внутри него. При нахождении внутри рабочего цилиндра газообразное рабочее тело охлаждается через жидкостную рубашку охлаждения 17, постоянно передавая часть своего тепла жидкому теплоносителю 18, который в свою очередь используется для горячего теплоснабжения или отопления здания (сооружения). При нахождении рабочего поршня в своей верхней мертвой точке разогретое газообразное рабочее тело давит на рабочий поршень, заставляя последний двигаться в свою нижнюю мертвую точку, совершая тем самым полезную работу, далее газообразное рабочее тело заполняет всю полезную полость рабочего цилиндра и отдает часть своего тепла через стенки рабочего цилиндра охлаждающей жидкости теплообменника газ-жидкость 19. На сжатие охлажденного газообразного рабочего тела требуется затратить меньше работы, чем получается при расширении нагретого газообразного рабочего тела. За счет этой разницы работ происходит запуск двигателя Стирлинга и, соответственно, двигатель Стирлинга, и вся Солнечная энергетическая установка в целом, запускается в работу. Для более устойчивой и надежной работы свободно поршневого двигателя Стирлинга в конструкции может быть, в частности, применена возвратная пружина 16 (или набор пружин, или же использован магнитный подвес рабочих поршней). Принцип работы предложенной Солнечной энергетической установки как с использованием в конструкции двух плоских солнечных панелей, так и с использованием одной солнечной панели одинаков, однако применение в одной Солнечной энергетической установке двух солнечных панелей, вероятно, поспособствует несколько более лучшей динамической балансировке двигателя Стирлинга.

При работе предложенной Солнечной энергетической установки происходит как генерирование тепловой энергии путем нагрева жидкого теплоносителя в теплообменнике жидкость-газ с последующей ее подачей для нужд отопления и/или для горячего водоснабжения, так и генерирование энергии электрической, которая из электрического генератора посредством электрического провода 26 подается к потребителю (непосредственно в сеть или для зарядки электрических генераторов).

Таким образом, решается задача предложенного изобретения - создание Солнечной энергетической установки, способной одновременно генерировать как тепловую, так и электрическую энергию при упрощении конструкции и снижении массово-габаритных показателей.

Солнечная энергетическая установка может быть использована, в частности для децентрализованного электро- и теплоснабжения частных домов, различных зданий и сооружений. Солнечная энергетическая установка содержит по меньшей мере один плоский газовый солнечный коллектор, двигатель Стирлинга, линейный или роторный электрический генератор, теплообменник типа газ-жидкость, систему запуска двигателя Стирлинга в работу, системы автоматики по тепловой и электрической энергии. Двигатель Стирлинга выполнен поршневым, содержит жидкостную рубашку охлаждения в виде теплообменника газ-жидкость и расположен в верхней части плоского газового солнечного коллектора, являющегося ресивером двигателя Стирлинга и соединенного с ним посредством входных/выходных патрубков для газообразного рабочего тела, воздействующего на поршни, а нагрев жидкости, используемой в системе теплоснабжения и/или отопления здания или сооружения, происходит в рубашке охлаждения посредством теплообмена с охлаждаемым в процессе рабочего цикла работы двигателя Стирлинга его газообразным рабочим телом, причем плоский газовый солнечный коллектор выполнен с возможностью выдерживать давление газообразного рабочего тела выше атмосферного и с возможностью естественной циркуляции рабочего тела внутри плоского газового солнечного коллектора. Солнечная энергетическая установка обеспечивает создание простой и малогабаритной солнечной энергетической установки, способной одновременно генерировать как тепловую, так и электрическую энергию. 6 ил.

Солнечная энергетическая установка, содержащая по меньшей мере один плоский газовый солнечный коллектор, двигатель Стирлинга, линейный или роторный электрический генератор, теплообменник типа газ-жидкость, систему запуска двигателя Стирлинга в работу, системы автоматики по тепловой и электрической энергии, отличающаяся тем, что двигатель Стирлинга выполнен поршневым, содержит жидкостную рубашку охлаждения в виде теплообменника газ-жидкость и расположен в верхней части плоского газового солнечного коллектора, являющегося ресивером двигателя Стирлинга и соединенного с ним посредством входных/выходных патрубков для газообразного рабочего тела, воздействующего на поршни, а нагрев жидкости, используемой в системе теплоснабжения и/или отопления здания или сооружения, происходит в рубашке охлаждения посредством теплообмена с охлаждаемым в процессе рабочего цикла работы двигателя Стирлинга его газообразным рабочим телом, причем плоский газовый солнечный коллектор выполнен с возможностью выдерживать давление газообразного рабочего тела выше атмосферного и с возможностью естественной циркуляции рабочего тела внутри плоского газового солнечного коллектора.