Солнечная установка получения воды и электроэнергии из воздуха Российский патент 2024 года по МПК E03B3/28 

Изобретение относится к солнечной энергетике и может быть использовано для получения воды из воздуха в условиях безводных районов в любой точке нашей планеты, например, в пустынных, и электроэнергии для перевода человечества на водородную энергетику с использованием солнечной энергии.

Известно устройство для получения воды из атмосферного воздуха, содержащее канал для транспортировки потока атмосферного воздуха, охлаждающий элемент, размещенный в этом канале, и систему сбора конденсата. Канал транспортировки вложен во внешний чехол с нижним зазором и образованием канала между его боковой поверхностью и боковой поверхностью чехла для вывода осушенного воздуха наружу, в котором установлены радиаторы для съема тепла с горячих спаев термоэлектрических батарей, холодными спаями, имеющими тепловой контакт с охлаждающим элементом, размещенным в транспортирующем воздух канале и представляющим собой набор металлических штырей или трубок, расположенных в шахматном порядке. Под ними расположена турбина генератора электрической энергии, для предотвращения попадания конденсируемой влаги на лопасти которой, над последними расположена указанная система сбора конденсата. Она представляет собой наклонные желобки, расположенные в два слоя таким образом, что перекрывают все сечение канала для транспортировки потока атмосферного воздуха, но с достаточным зазором для прохождения сквозь них воздуха. На выходе из канала для вывода осушенного воздуха расположен козырек для отбрасывания осушенного воздуха в сторону от входа в канал для транспортировки потока атмосферного воздуха (RU 2245967).

Известна установка для получения пресной воды из атмосферного воздуха, содержащая водосборник, холодильный агрегат, соединенный через вентиль и гидронасос с термоизолированной емкостью и с теплообменником-конденсатором, расположенным в воздуховоде. В теплообменнике-конденсаторе находятся каплеуловитель и вентилятор. В установку вводится гелиостат с системой управления, выполненный из концентрирующих элементов, каждый из которых состоит из линзы с большим фокусным расстоянием F и линзы с малым фокусным расстоянием f, конического фоклина полного внутреннего отражения и оптоволоконного кабеля. Кроме того, вводятся емкость с водой и соединенный с ней лоток-испаритель с регулятором уровня воды, расположенный перед теплообменником-конденсатором (RU 2609811).

Недостатками аналогов является сложность конструкции, низкая эффективность работы, недолговечность, кроме того, зависимость работы от электропитания.

Наиболее близким аналогом является ранее разработанная мной солнечная установка непрерывного или периодического действия, корпус которой выполнен в виде вертикальной или наклонной теплоизолированной шахты, либо с четырьмя стенками, либо частично открытый с теневой северной стороны. Окно ввода воздуха расположено в верхней части, а окно вывода воздуха - в нижней части шахты. Испаритель холодильной машины выполнен многоступенчатым змеевиком из труб с ребристой поверхностью, расположенных уровневыми блоками по всей высоте шахты, охлаждаемых перемещаемым в них самотеком хладагентом. Солнечные коллекторы соединены с генератором, выполненным в виде котла для испарения хладагента, состоящего из смеси двух жидкостей, подключенного в свою очередь к конденсаторным блокам и к трубам испарителя (RU 2200281 С1). Данное устройство является сложным в изготовлении и в обслуживании, обладает весьма ограниченной производительностью и КПД.

Технической задачей изобретения является разработка установки для получения технологически неограниченных объёмов воды и электроэнергии из атмосферного воздуха в условиях пустыни с максимальным КПД.

Техническая задача решается за счет сущности устройства заявляемой установки для получения воды и электроэнергии из воздуха, содержащего высокотемпературный солнечный коллектор с аккумулятором тепла, питающий абсорбционную холодильную машину с заданной мощностью по холоду, обеспечивающую температуру конденсаторных батарей ниже температуры окружающего воздуха, создавая точку росы, на поверхности конденсаторных батарей, образуемых двумя плоскостями скрепленных в шестигранных основаниях между собой (как соты) лево- и правонаправленными усеченно-пирамидальными конденсаторами, в которых циркулирует охлаждающая их жидкость. Конденсаторные батареи располагаются в установке под углом друг к другу для оптимального «улавливания» разнонаправленных потоков и усиления турбулентности атмосферного воздуха и создания турбулентности, чтобы его теплые потоки, входящие в установку, не могли пройти через неё, не соприкоснувшись с охлажденной поверхностью конденсаторов и не оставив не ней имеющуюся влагу.

Заявляемая установка представляет собой устройство непрерывного действия, обеспечивающее конденсацию воды из атмосферного воздуха, контактирующего со структурно-сотовыми стенами, собранными из металлических, шестигранных усеченно-пирамидальных конденсаторов с высокоразвитыми (волновыми в поперечном сечении) гранями с зернистой поверхностью, охлаждаемых абсорбционной холодильной машиной, питаемой высокотемпературным (более 100°С) солнечным коллектором.

Состав установки:

1 - долговечный высокотемпературный солнечный коллектор из стекла и керамики;

2 - высокотемпературный аккумулятор тепла солнечного коллектора;

3 - абсорбционная холодильная машина, питаемая от аккумулятора тепла;

4 - испарители абсорбционной машины, охлаждающие конденсаторные блоки;

5 - конденсаторные батареи,

5.1 - конденсаторы;

5.2 - конденсаторные блоки;

6 - гидротурбогенераторная компрессорная холодильная машина (питаемая от гидротурбогенератора);

7 - термотурбогенераторная компрессорная холодильная машина, (питаемая от термотурбогенератора);

8 - гидротурбогенератор, работающий от напора добытой из воздуха воды;

9 - термотурбогенератор, работающий от тепла солнечной энергии;

10 - электролизёры, расщепляющие добытую воду на водород и кислород;

11 - аккумуляторы водорода и кислорода полученные от электролизёра;

12 - трубопроводы для перекачки из холодильных машин хладагента в конденсаторные батареи и обратно.

На фиг. 1 изображён общий вид солнечной установки получения воды и электроэнергии из воздуха.

На фиг. 2 изображены конденсаторные батареи.

На фиг. 3 изображен общий вид конденсатора.

На фиг. 4 изображен конденсатор в поперечном сечении.

Устройство содержит высокотемпературный солнечный коллектор 1 с аккумулятором тепла 2 вырабатываемого коллектором 1, абсорбционную холодильную машину 3 с испарителями холода 4, расположенными в конденсаторных батареях 5 (фиг. 2), представляющих собой совокупность металлических усеченно-пирамидальных конденсаторов 5.1, выполненных из нержавеющей стали с высокоразвитыми волновыми гранями (фиг. 3; 4) с зернистой поверхностью (на фиг. не показано), что существенно увеличивает площадь контакта конденсаторов 5.1 с воздухом. Конденсаторные батареи 5 соединены друг с другом боковыми гранями шестигранных оснований (как соты), при этом правая и левая плоскости конденсаторных батарей 5 скреплены между собой, образуя закрытую полость, заполненную охлаждающей конденсаторы 5.1, жидкостью. Конструкция из нескольких батарей 5, расположенных параллельно друг другу, с общей системой охлаждения, образует конденсаторный блок 5.2. В глубину, конденсаторные блоки 5.2 могут включать необходимое для заданной производительности установки количество батарей 5. Из таких блоков 5.2 собирается вся конденсаторная часть установки. Установка также содержит компрессорные холодильные машины 6 и 7, питаемые от термотурбогенератора 9 и гидротурбогенератора 8, работающего от напора полученной установкой воды из воздуха, для более глубокого охлаждения конденсаторов 5.1 в условиях аномальных температур. Вырабатываемая генераторами 8 и 9 избыточная электроэнергия позволяет использовать электролизёры Н₂О 10 с аккумуляторами Н₂ и О₂ 11 для получения водорода. Конденсаторные батареи 5 и холодильные машины 3,6,7, соединены между собой трубопроводами 12, перекачивающими хладагент в испарители 4 конденсаторных батарей 5 и обратно.

Солнечная установка работает следующим образом.

Солнечный коллектор 1 с аккумулятором тепла 2 обеспечивает тепловой энергией абсорбционную холодильную машину 3 заданной мощностью по холоду, которая по трубопроводам 12 передает хладагент батареям конденсаторов 5 и охлаждает их с помощью испарителей холода 4 ниже температуры окружающей среды, тем самым создавая условия точки росы и оседания частиц воды из воздуха на поверхностях конденсаторов 5.1, контактные площади которых значительно увеличены специально нанесенными частицами кварцевого песка с клеющим составом на поверхность конденсаторов 5.1.

Таким образом, тепло, полученное от солнечного коллектора 1, через аккумулятор 2 питает абсорбционную холодильную машину 3 и полученная от неё низкая температура создаёт условия точки росы в конденсаторных батареях 5. Воздух в конденсаторах 5.1, отдав влагу, охлаждается, тяжелеет и опускается в нижние слои конденсаторных блоков 5.2, увлекая за собой новые порции атмосферного воздуха на конденсирующие поверхности, устроенные так, чтобы ни одна порция воздуха не могла покинуть конденсаторный блок 5.2. не соприкоснувшись с холодной поверхностью конденсаторов 5.1 и не оставив на ней содержащейся в воздухе влаги.

Установка имеет возможность параллельного включения компрессорных холодильных машин 6 и 7, питающихся, соответственно, от термотурбогенератора 9 и гидротурбогенератора 8, работающего от напора полученной установкой воды из воздуха, для более глубокого охлаждения конденсаторов 5.1 в условиях аномальных температур. Вырабатываемая генераторами 8 и 9 избыточная электроэнергия позволяет в качестве дополнительной функции устройства запитать электролизёры Н₂О 10 с аккумуляторами Н₂ и О₂ 11 для получения водорода. Трубопроводы 12, соединяющие конденсаторные батареи 5 и холодильные машины 3,6,7, служат для перекачки хладагента в испарители 4 конденсаторных батарей 5 и обратно.

Скорость потока воздуха, проходящего через конденсаторную батарею 5, и площадь её поперечного сечения определяют объёмы полученной воды при достигнутом КПД конденсаторных батарей 5. Например, воздух Саудовской Аравии в среднем по году нагревается почти до 50°С, т.е. содержит почти 100 г воды в одном куб. м воздуха. При площади поперечного сечения конденсаторной батареи 5 в 100 м² и минимальной скорости потока воздуха 10 км/ч (начало движения флюгера) через конденсаторную батарею 5 за 1 час проходит 1млн (100×10000) м³ воздуха, несущего в себе 100 т, а за сутки 2400 т воды. Проведенные расчеты и лабораторные испытания позволяют обеспечить 90%-е её извлечение из конденсируемого воздуха.

Вода в воздухе неисчерпаема и особенно теперь, когда глобальное потепление интенсифицирует испарение мирового океана, мелеют моря, высыхают реки и озёра. Увеличением скорости потока воздуха и площади поперечных сечений конденсаторных батарей 5 можно получить любые заданные объёмы воды и электроэнергии, тем самым решить множество актуальных проблем безводных районов планеты.

Учитывая, что установка может добывать воду из воздуха автономно, независимо от наличия внешних источников электропитания, в любых необходимых количествах и в любой точке нашей планеты, вырабатывать электроэнергию как от тепла солнечных коллекторов, так и от напора полученной установкой воды, то ее можно использовать в качестве экологически предпочтительного источника воды и энергии при освоении пустынь и производстве топлива в процессе перевода человечества на водородную энергетику будущего.

Технологии изготовления и сборки высокотемпературного солнечного коллектора 1 и конденсаторных блоков 5.2 достаточно просты, что позволяет за короткое время наладить их конвейерное производство, а абсорбционные 3 и компрессорные холодильные машины 6 и 7 серийно выпускаются в любых необходимых вариантах, в силу чего все комплектующие, конструктивные узлы и установка в целом, обладают высокими показателями надёжности и долговечности.

Изобретение должно обеспечить более экономичное, в сравнении с известными устройствами, получение любых заданных объёмов воды и электроэнергии из воздуха с использованием солнечной энергии.

Заявляемая установка:

- не требует сложной и энергозатратной системы устройств принудительного забора и перекачки воздушных масс и воды;

- максимально использует энергию естественной среды (солнечные лучи и кинетическую энергию воздушных потоков разных температур);

- позволяет неограниченно наращивать объем конденсаторов без дополнительных обеспечивающих энергетических и технологических устройств и мощностей;

- имеет высокий уровень КПД.

Таким образом, поставленная задача выполнена.

Изобретение относится к области солнечной энергетики и может быть использовано для получения воды из воздуха в условиях безводных районов. Солнечная установка содержит высокотемпературный солнечный коллектор с аккумулятором вырабатываемого от солнца тепла, абсорбционную холодильную машину с испарителями холода, расположенными в конденсаторных батареях, представляющих собой металлические усеченно-пирамидальные конденсаторы, выполненные из нержавеющей стали с волновыми гранями с зернистой поверхностью. Конденсаторные батареи соединены друг с другом боковыми гранями шестигранных оснований, как соты. Правая и левая плоскости конденсаторных батарей скреплены между собой, образуя закрытую полость, заполненную охлаждающей конденсаторы жидкостью, обеспечивающей необходимый для образования точки росы температурный режим, задаваемый через систему трубопроводов абсорбционной холодильной машиной, питаемой от аккумулятора тепла, и компрессорными холодильными машинами, питаемыми от термотурбогенератора, работающего от тепла солнечной энергии, и гидротурбогенератора, работающего от напора добытой из воздуха воды. Обеспечивается получение технологически неограниченных объемов воды и электроэнергии из атмосферного воздуха. 4 ил.

Солнечная установка получения воды и электроэнергии из воздуха, содержащая высокотемпературный солнечный коллектор с аккумулятором вырабатываемого от солнца тепла, абсорбционную холодильную машину с испарителями холода, расположенными в конденсаторных батареях, представляющих собой металлические усеченно-пирамидальные конденсаторы, выполненные из нержавеющей стали с волновыми гранями с зернистой поверхностью, причем конденсаторные батареи соединены друг с другом боковыми гранями шестигранных оснований, как соты, при этом правая и левая плоскости конденсаторных батарей скреплены между собой, образуя закрытую полость, заполненную охлаждающей конденсаторы жидкостью, обеспечивающей необходимый для образования точки росы температурный режим, задаваемый через систему трубопроводов абсорбционной холодильной машиной, питаемой от аккумулятора тепла, и компрессорными холодильными машинами, питаемыми от термотурбогенератора, работающего от тепла солнечной энергии, и гидротурбогенератора, работающего от напора добытой из воздуха воды.