Водоем,аккумулирующий солнечную энергию,энергетическая установка и способ сохранения халоклина Советский патент 1986 года по МПК F24J2/42 

2.Водоем по п. 1, о т л и ч аю щ и и .с я тем,, что испарительньй участок,вьшолнен в виде отдельного, более мелкого водоема.

3.Водоем по п. 1, отличающийся тем, что участок огражден, вертикальным отрезком трубы, причем выпускное средство выполнено в виде его нижнего торца, впускное в виде отверстий в трубе, а верхний торец трубы закрыт и снабжен вентиляционным отверстием.

4.Водоем по п. 3, отличающийся тем, что отверстия выполнены селективно регулируемыми.

5.Энергетическая установка, содержащая источник тепла в виде аккумулирующего тепло слоя водоема, аккумулирующего солнечную энергию, содержащего размещенный под аккумулирующим тепло слоем гиперлимнион, средство для извлечения тепла из аккумулирующего тепло слоя, теплово двигатель, средство для передачи

ему извлеченного тепла и сообщенный с вьпслопным патрубком теплового двигателя конденсатор, систему его охИзобретение относится к гелиотехнике, конкретно к накоплению и сохранению энергии солнечного излучения в солнечном водоеме.

Цель изобретения - упрощение конструкции водоема, аккумулирующего солнечную энергию, стабилизация работы энергетической установки за счет использования пониженной температуры гиперлимниона (нижнего слоя) и повьшение надежности способа сохранения халоклина за счет предотвращения колебаний уровня водоема.

На фиг. 1 показаны водоем, аккумулирующий солнечную энергию, С- - .восходящим потоком и подсоединенное к водоему теплоиспользующее устройство, вертикальное сечение на фиг. 2 - график, показывающий профили солености и температуры по вертикальному сечению водоема по фиг.1J на фиг. 3 - вертикальное сечение

лаждения при помощи воды и возвратное средство для возврата охлажденной воды в водоем, отличающаяся тем, что, с целью стабилизации работы, средство для возврата сообщено с гиперлимнионом.

6.Способ сохранения халоклина, покрытого перемещанным ветром слоем открытым для атмосферных влияний,

на поверхности водоема, заключающийся в том, что концентрируют в испарительном участке соляной раствор- путем его испарения и подают концентрат из участка в водоем под хало- клином, отличающийся тем, что, с целью повьшения надежности, в водоем добавляют пополняющую жидкость.

7.Способ по п. 6, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что жидкость является солоноватой водой.

8.Способ по п. 6, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что концентрацию соляного раствора ведут до осаждения соли, последнюю собирают и удаляют.

водоема, аккумулирующего солнечную энергию с наложением восходящего и нисходящего потоков; на фиг. 4 - график, показывающий изменение солености в халоклине и водоемов с восходящим, НИСХОДЯ1ЦИМ потоками и с обоими потоками; на фиг. 5 - заграждение для заищты от ветра, используемое на поверхности водоема, аккумулирующего солнечную энергию, перспективный вид; на фиг. 6 - вертикальное сечение водоема, аккумулирующего солнечную энергию, и испарительного участка,

огражденного вертикальным отрезком трубы; на фиг. 7 - профиль солености резервуара по фиг 6; на фиг. 8 - вертикальное сечение водоема, аккумулирующего солнечную

энергию, и испарительного участка, позволяющую обойтись без насосов для перекачки концентра та соляного раствораi

Водоем, аккумулирующий солнечную энергию, содержит поверхностный перемешанный ветром слой 1 глубиной около 30 см, расположённый под ним халоклин 2 глубиной 1-3 м, соленость которого имеет заданную функциональную зависимость от глубины, размещенный под хадоклином 2 аккумулирующий тепло слой 3, находящееся с ним в тепловом контакте средство 4 для извлечения тепла и выполненный в виде отдельного, более мелкого водоема 5 шш участка, огражденного вертикальным отрезком 6 трубы, испарительный участок с впускным и выпускным средствами 7 и 8, размещенными соответственно над и под халоклином 2 и открытым в атмосферу. Отрезок 6 трубы имеет отверстия, функционирующие как впускное средство 7, а нижний торец отрезка 6 трубы является выпускным средством 8. Верхний торец отрезка 6 трубы закрыт крышкой 9 и снабжен вентиляционными отверстиями 10, Последние вьтолнены селективно регулируемыми. Водоем содержит также гиперлимнион 11. Средство 4 для извлечения тепла может быть вьшол- нено в виде части энергетической установки, содержащей тепловой; двигатель (не показан), средство 12 для передачи ему извлеченного тепла и сообщенный с выхлопным патрубком (не показан) конденсатор (не показан), систему его охлаждения при помощи воды и средство 13 для возврата охлажденной воды в водоем, . сообщенное с гиперлимнионом 11. Вода из слоя 3, как показано на фиг.1 подается по трубопроводу 14.

Соленость в водоеме (фиг. l) распределяется согласно кривой 15 (фиг. 2, где по оси абсцисс отложена глубина водоема, а по оси ординат - соленость и температура. Рапределение температур по глубине характеризует кривая 16.

Водоем (фиг. З). имеет помимо испарительного .участка в виде мелкого водоема 5 испаритель 17, соединенный со слоем 3 трубопроводом 18. Соленость в таком водоеме распределяется в соответствии с кри- вой 19. В халоклине 2 водоема (фиг. соленость распределяется ,в соответствии с кривой 20 (фиг. 4), где для

сравнения показаны кривые 21, харак

10

f5

20

25

55

189334

теризующие соленость в Халоклине 2 водоема с нисходящим потоком, и кривые 22 для водоема с восходящим потоком. На фиг. 4 по оси абсцисс 5 отложено отношение глубины от поверхности халокли на 2 к глубине всего халоклина 2, а по оси ординат - соленость.

Устойчивость водоема (фиг. 1 и З) к внешним воздействиям повышается, если применить плавающее на его поверхности ветровое заграждение 23, состоящее из продольшлх и поперечных элементов 24, образующих при соединении ячейки 25 с отношением длины стороны ячейки к ее высоте 15:1. Заграждение 23 применяется в водоемах с восходящим ttofо-, ком, в особенности в тех случаях, когда на поверхности слоя 1 водоема имеется слой материала, уменьшающего испарение. В этом.случае заграждение 23 предотвращает сдув этого материала с поверхности сЛоя 1.

Уменьшить потери воды при испарении с TiOB ерхно стй в одоема можно также помощи (фиг. 6) конструкции испарительного участка в виде отрезков Трубы, который установ-.- лен в воде на кольцевом поплавке 26, изолирующем нижнюю часть отрезка 6, при помощи тросов 27. Крьшпса 9 и отверстия 10 располагаются над поверхностью воды в водоеме, вйускноа средство 7 - на уровне перемешанного ветром слоя I, а впускное средство 8 - ниже уровня халоклина 2. Профиль солености в водоеме (фиг. б) за пределами испарительного участка показан на фиг. 7.

Сохранить слой халоклина 2 можно также при помощи (фиг. 8} закрытого испарительного уча:стка, ограниченного трубой 28, в которой ниже уровня халоклина 2 выполнено отверстие 29. Верхний торец трубы 28 закрыт крьшкой 30 с отверстием 31. В трубе 28 установлена вертикальная перегородка 32, с одной стороны которой расположено отверстие 29, а с другой, ниже его уровня - отверстие 33, В таком водоеме пары воды через отверстие 31 поступают в теп- Лообменник 34. Водоем также пополняется по трубопроводу 35 водой в количестве, равнбм количеству испарившейся, отведенной через клапан 36 и добавленной по -трубопроводу

30

35

40

45

50

37 в аккумулирующий тепло слой 3 воды. В полости трубы 28- поддерживается вакуум, что интенсифициру-- ет испарение.

Водоем, аккумулирующий солнечную энергию, работает следующим образом.

Солнечное излучение, падающее на поверхность водоема, проникает и поглощается перемешанным ветром слоем и халоклином 2. Под действием ветра в слое 1 тепло, поглощенное этим слоем, быстро рассеивается на поверхности, сохраняя тем самым относительно низкую температуру слоя 1 по сравнению с температурой в халоклине 2, где конвективные токи подавляются. Вследствие этого халоклин 2 нагрет до более высокой температуры, чем температура слоя 1 в соответствии с кривой 16 на Фиг. 2,.Если халоклин 2 сохраняется некоторое время, жидкость под халоклином 2 нагревается благодаря теплопроводности и конвектив- ньм токам с образование аккумулирующего тепло слоя 3. Под слоем 3 температура значительно ниже (фиг. 2). Эта часть водоема составляет типерлимнион 11.

Жидкость из верхнего участка слоя 3 подается по трубопроводу 14 в средство А для извлечения тепла (например, теплообменник), извлекающее тепло (например для природа турбины, приводящей-электрогенератор).- После извлечения тепла охлажденная жидкость направляется в нижнюю часть слоя 3.

Водоем, аккумулирующий солнечную энергию, содержит относительно мелкий водоем 5, в который отводится поверхностная жидкость из слоя 1. Испарение из водоема 5 происходит в соответствии с климатическими условиями влажности и солнечного излучения, обеспечивай образоваййе в водоеме 5 концентр ата, плотность которого будет выше плотности жидкости в массе под халоклином 2. Концентрат проходит по выпускному сред ству 8 в м аСсгу пОД хаЛоклином, создавая восходящий поток жидкости через халоклин, Создаваемая таким путем циркуляция вызьшает подъем воды в водоеме, который обеспечивает устойчивость халоклина к воздействи

0

5

0

5

0

5

0

5

ветра и молекулярной диффузии соли через халоклин 2..

Чтобы сохранить в основном постоянный уровень поверхности слоя 1, несмотря на испарение как с этой поверхности, так и из водоема 5, добавляется пополняющая жидкость. В засушливом климате пополняющей водой может быть небольшой дождь ; . с добавлением пресной воды.

Жидкость из аккумулирующего тепло слоя 3 подается в испаритель 17, в котором осаждают соли и получают пресную воду. Функция испарителя 17 - создавать нисходящий поток в водоеме, аккумулирующем солнечную энергию, за счет испарения воды из слоя 3 в испарителе 17 с осаждением соли и получением пресной воды, кбторый компенсирует восходящий поток, вызываемый подачей концентрата из водоема 5. Вследствие этого профиль солёности хгшоклина приближается к линейному, как.показано на фиг. 4, кривая 20.

Если испарительный участок ограничен отрезком 6 трубы, находящаяся в его полости вода имеет повьшенную концентрацию, солей.

Относительно более легкая вода из аккумулирующего тепло слоя 3 поступает вверх в кольцевой участок средства 8, а относительно более плотный концентрат течет вниз через центральный участок средства 8. Поверхностные ВОДЬ из слоя 1 поступают вйутрь отрезка 6 трубы через впускное средство 7 в виде отверстий, регулируемых управляющим элементом (не показан).

В рабочих условиях эта вода имеет в основном температуру аккумулирующего тепло слоя 3 более высокую, чем температура слоя I водоема. Вода внутри отрезка 6 является более плотной, чем вода халоклина 2, в результате поверхность этой части воды несколько ниже, чем поверхность воды в водоеме. Ввиду повышенной температуры поверхностная вода и отрезке 6 испаряется, и конденсиру- ; ётся внутри крышки 9, откуда она скатьшается по наклонным стенкам и через отверстия 10, стекая в водоем. Испарение воды в отрезке 6 трубы сопровождается повышением ее солености и, следовательно, плотность оставшейся воды выше плотности воды в аккумулирующем тепло слое 3. В связи с этим концентрат опускается в водоем через вьтускное средство 8.

Если (фиг. 8) испарительный участок закрыт, вода внутри трубы 28 имеет большую плотность-, чем вода в аккумулирующем тепло слое 3. Такое положение возникает потому, что вода из аккумулирующего тепло слоя 3 входит в отверстие 29 на одной стороне-перегородки 32, течет вверх по направлению к поверхности раздела пара и воды в трубе 28, а затем течет вниз вдоль другой стороры перегородки 3, выходя через отверстие 33. Давление внутри трубы 28 ниже атмосферного давления, а вследствие этого вода на поверхности испарителя интенсивно испаряется и пар выходит через отверстие 31 Плотность полученного концентрата, проходящего через отверстие 33, выше плотности воды, входящей в отверстие 29.

К отверстию 33 подключен теплообменник 3-4, который извлекает скрытое тепло из пара, вьппедщего из трубы 28, производя слегка охлажденную пресную воду. В теплообменнике 34 происходит конденсация мятого пара и получение пресной воды. Эту воду можно использовать для хозяйственных нужд. Сохранение вакуума внутри трубы 28 не требует больших затрат энергии потому, что через трубу 28 проходят горячие соляные растворы, которые содержат только незначительное количество растворенных газов.

Конфигурация трубы 28 исключает необходимость перекачки горячей воды между водоемом и трубой 28 и тем самым снижает потребность в энергии Кроме того, введение в аккумулирующий тепло слой 3 объема воды через трубопровод 35 дает значительные результаты независимо от экономии

10

15

20

5

0

5

0

5

энергии за счёт восходящего и нисходящего потоков.

Энергетическая установка работает следующим образом.

.Водоем, аккумулирующий солнечную энергию, имеет глубину более 10 м, поскольку гиперлимнион 11 может быть использован в качестве поглотителя тепла, куда может подаваться тепло электростанции /не показан), Гиперлимнион 11 может действовать как конденсатор выхлопных газов тепловой машины (не показана) , использующей тепло, извлеченное из аккумулирующего тепло слоя 3. Когда это происходит, возникает необходимость удалить некоторое тепло из гиперлимниона 1I. Этот процесс осуществляют путем перекачки воды из гиперлимниона 11 в более мелкий водоем 5. Поскольку водоем 5 имеет небольшую глубину, температура его поверхности находится в тепловом равновесии с атмосферой. Следовательно, нагретая, но относительно плотная вода из гиперлимниона 11 охлаждается в водоеме 5 и пригодна дпя возврата в водоем, аккумулирующий солнечную энергию для создания восходящего потока. Таким образом, испарительный мелкий водоем 5 помимо основной функции служит средством удаления отработанного тепла.

Способ сохранения халоклина с добавлением пополняющей воды реализуется в водоеме, изображенном на фиг. 8, где пополняющая вода подается по трубопроводу 35. Эта вода может быть солоноватой, причем в этом случае для предотвращения повьш1ения концентрации солей в водоеме, аккумулирующем солнечную энергию, соли осаждают и удаляют.

Предлагаемый водоем, аккумулирующий солнечную энергию, с.испарительным участком в виде более мелкого водоема 5, может быть сооружен и на базе природного водоема, имеющего более мелкий участок.

Q SO т 200 250 300 (

О 20 40 ВО SO 100

../

1. Водоем, аккумулирующий солнечную энергию, содержащий поверхностный перемешанный ветром слой, расположенный под ним халоклин, соленость которого имеет заданную функциональную зависимость от гпу- бины, размещенньй под халоклином аккумулирующий тепло слой, находящееся с ним в тепловом контакте средство для извлечения тепла, и испарительный участок с впускным и выпускным средствами, размещенными соответственно над и под халоклином, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, участок вьтолнен открытым в атмос- Феру., . .,v--«-c,,:..- . .-. . .. у- - ..;.:K-rk -.. . - Mfy (О N 00 со со со

17

18

/4////////////////,

I

фие.З

8

9Яс/г,4

33

ВНИИПИ

Заказ 1141/63

Филиал ПШ Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 650 Подписное