Автономный солнечный опреснитель-электрогенератор

Изобретение относится к технике опреснения морских и соленых (минерализованных) вод и может быть использовано для получения опресненной воды и попутной генерации электрической энергии.

Известен гелиодистиллятор, содержащий корпус с прозрачным покрытием, дефлектор, установленную в корпусе испарительную тарелку с бортиками (испаритель), снабженную питательным патрубком (распределителем) и покрытую снизу слоем гидротеплоизоляции, конденсатор (конденсационная камера), размещенный в нижней части корпуса под тарелкой, погруженный в воду бассейна [АС СССР №1554290, МПК C02F 1/14, 1993].

Недостатками известного гелиодистиллятора являются невозможность использования его конструкции для масштабного получения опресненной воды, необходимость периодической очистки поверхности тарелки от солевых отложений и рассола, для чего процесс дистилляции необходимо часто прерывать, необходимость наличия постороннего энергетического источника для насоса откачки полученного дистиллята, что снижает его эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является автономный солнечный опреснитель, включающий прямоугольный корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, крыша которого покрыта сверху фотоэлементами, соединенными с накопительным блоком, внутри корпуса размещен наклонный испарительный лоток с бортиками, днище которого снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции, делящий полость корпуса на испарительную и конденсационную камеры, сообщающихся между собой у бортов корпуса через вертикальные щели, внутренняя поверхность конденсационной камеры покрыта решеткой из полос пористого материала, в верхнем торце лотка у правого торца корпуса расположен впускной коллектор, представляющий собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, соединенную трубопроводом с погружным питательным насосом, помещенным в водоеме с морской (минерализованной, соленой) водой, нижний торец лотка соединен с выпускной горизонтальной щелью, устроенной в левом торце корпуса, днище корпуса в центре соединено с емкостью для сбора конденсата, в которой помещен конденсатный насос, при этом большая часть корпуса, в которой расположена конденсационная камера, погружена в водоем, питательный и конденсатный насосы снабжаются электроэнергией из накопительного блока фотоэлементов, а уклон лотка направлен в сторону выпуска питательной воды с уклоном равным углу естественного откоса воды [Патент РФ №2567895, МПК C02F 1/14, 2015].

Основным недостатком известного автономного солнечного опреснителя является недостаточное использование низкопотенциальной энергии воды для генерации электрической энергии, что снижает его эффективность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности автономного солнечного опреснителя-электрогенератора.

Техническая задача реализуется автономным солнечным опреснителем-электрогенератором, включающим прямоугольный корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, крыша которого покрыта сверху фотоэлементами с накопительным блоком, внутри корпуса размещен наклонный испарительный лоток с бортиками, днище которого снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции, делящий полость корпуса на верхнюю испарительную камеру и нижнюю конденсационную камеру, сообщающихся между собой у бортов корпуса через вертикальные щели, в верхнем торце наклонного испарительного лотка у правого торца корпуса расположен впускной коллектор, представляющий собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной воды, соединенную трубопроводом с погружным питательным насосом, помещенным в водоеме с морской (минерализованной, соленой) водой, нижний торец наклонного испарительного лотка соединен с выпускной горизонтальной щелью, устроенной в левом торце корпуса, днище корпуса в центре соединено с емкостью для сбора конденсата, в которой помещен конденсатный насос, большая часть корпуса, в которой расположена конденсационная камера, погружена в водоем, уклон наклонного испарительного лотка направлен в сторону выпуска питательной воды с уклоном равным углу естественного откоса воды, причем внутренняя поверхность торцов, бортов и днища нижней конденсационной камеры выполнена с вертикальными и горизонтальными гофрами, внутри каждого гофра размещены вертикальные и горизонтальные пазы, в каждый из которых вставлен вертикальный или горизонтальный термоэлектрический преобразователь, выполненный из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов M1 и М2, спаянные на концах между собой таким образом, что их спаи согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя параллельно ей, не касаясь ее, а сами проволочные отрезки расположены параллельно друг другу, образуя П-образные ряды, крайние проволочные отрезки каждой пары П-образных рядов термоэлектрических преобразователей, соединены между собой перемычками, на противоположном конце каждая пара П-образных рядов, соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы, первый и последний из которых и фотоэлементы соединены с выходными коллекторами, накопительным блоком, питательным и конденсатным насосами.

Предлагаемый автономный солнечный опреснитель-электрогенератор (АСО-ЭГ) изображен на фиг. 1-6 (на фиг. 1 показан общий вид, на фиг. 2-6 основные узлы и их разрезы).

АСО-ЭГ содержит прямоугольный корпус 1, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, крыша 2, покрытая сверху фотоэлементами 3 с накопительным блоком 4, внутри корпуса 1 размещен наклонный испарительный лоток с бортиками 5, днище которого снизу покрыто слоем гидротеплоизоляции 6, делящий полость корпуса 1 на верхнюю испарительную камеру 7 и нижнюю конденсационную камеру 8, сообщающихся между собой у бортов корпуса 1 через вертикальные щели 9, в верхнем торце наклонного испарительного лотка 5 у правого торца корпуса 1 расположен впускной коллектор 10, представляющий собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной воды, соединенную трубопроводом 11 с погружным питательным насосом 12, помещенным в водоеме с морской (минерализованной, соленой) водой 13, нижний торец наклонного испарительного лотка 5 соединен с выпускной горизонтальной щелью 14, устроенной в левом торце корпуса 1, днище корпуса 1 в центре соединено с емкостью для сбора конденсата 15, в которой помещен конденсатный насос 16, при этом большая часть корпуса 1, в которой расположена конденсационная камера 8, погружена в водоем 13, а уклон наклонного испарительного лотка 5 направлен в сторону выпуска питательной воды с уклоном, равным углу естественного откоса воды, внутренняя поверхность торцов, бортов и днища нижней конденсационной камеры 8 корпуса 1 выполнены с вертикальными и горизонтальными гофрами 17, внутри каждого гофра 17 размещены вертикальные и горизонтальные пазы 18, в каждый из которых вставлен вертикальный или горизонтальный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) 19, выполненный из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, в массиве которого помещена контурная арматура, состоящая из термоэмиссионных элементов (ТЭЭ) 20, представляющих собой парные проволочные отрезки 21 и 22, выполненные из разных металлов, спаянные на концах между собой таким образом, что их спаи 23 согнуты под углом 90° и располагаются вблизи наружной поверхности корпуса термоэлектрического преобразователя (ТЭП) 19 параллельно ей, не касаясь ее, а сами проволочные отрезки 21 и 22 расположены параллельно друг другу, образуя П-образные ряды 24, крайние проволочные отрезки 21 и 22 каждой пары П-образных рядов 24 ТЭП 19, соединены между собой перемычками 25, на противоположном конце каждая пара П-образных рядов 24, соединены между собой последовательно через электрические конденсаторы 26, первый и последний из которых и фотоэлементы 3 соединены с выходными коллекторами 27 и 28, накопительным блоком 4, насосами 12 и 16 и другими потребителями (соединительные электропровода и другие потребители на фиг. 1-10 не показаны).

В основу работы предлагаемого АСО-ЭГ положено свойство фотоэлементов 3 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [АС СССР №1603152, МПК F24J 2/32, 1990]. Кроме того, изготовление контурной арматуры ТЭП 19 в виде П-образных рядов 24, состоящих из парных проволочных отрезков 21 и 22, выполненных из разных металлов, спаянных на концах между собой, то при нагреве внутренних спаев 23 проволочных отрезков 21 и 22 ТЭЭ 20 ТЭП 19 конденсирующимся паром и охлаждении противоположных им спаев 23 снаружи, обращенных к холодной воде, на них устанавливаются разные температуры, в результате чего в П-образных рядах 24 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506]. Компоновка АСО-ЭГ (сверху - фотоэлемент 3, снизу - крышка 2) позволяет одновременно производить съем тепла с фотоэлементов 4, увеличивая эффективность их работы, за счет испарения морской воды, текущей по наклонному испарительному лотку 5, пар которой нагревает при своей конденсации спаи 23 ТЭЭ 21, генерируя термоэлектричество. При этом П-образное расположение ТЭЭ 20 в рядах 24 ТЭП 19 позволяет значительно увеличить их удельное количество, приходящееся на единицу поверхности конденсационной камеры 8, и одновременно увеличить площадь теплообмена, увеличивая скорость конденсации пара, а параллельное расположение спаев 23 относительно наружной поверхности ТЭП 19 увеличивает площадь контакта спаев 23 с охлаждаемой (нагреваемой) поверхностями, что интенсифицирует процесс теплообмена между противоположными спаями 23. Кроме того, соединение ТЭП 19 вертикальных и горизонтальных рядов 24 между собой последовательно через электрические конденсаторы 26 и с выходными коллекторами 27, 28 снижает электрическое сопротивление цепи ТЭП при генерировании термоэлектричества.

АСО-ЭГ работает следующим образом. Корпус 1 погружается в водоем с морской (минерализованной, соленой) водой 13 таким образом, чтобы большая часть конденсационной камеры 8 корпуса 1 была погружена в водоем 13, выпускная горизонтальная щель 14 находилась над уровнем воды в водоеме 13, а крышка 2 была горизонтальной (для обеспечения равномерного приема солнечных лучей в течение светового дня). Такое положение корпуса 1 обеспечивается или соотношением между его весом и центром тяжести, или установкой его на якоря. Далее к впускному коллектору 10 через трубопровод 11 присоединяют погружной питательный насос 12, глубину погружения которого Н выбирают из условий отсутствия в воде механических загрязнений и включают его в работу. При падении солнечных лучей на поверхность фотоэлементов 3 в них осуществляется преобразование воспринятой солнечной энергии в электрическую и тепловую энергии. Устойчивая и эффективная работы фотоэлементов 3 обеспечивается непрерывным отводом тепла от них, который осуществляется тем, что полученная в фотоэлементах 3 в результате трансформации солнечной энергии тепловая энергия непрерывно отводится через стенку крыши 2, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, в испарительную камеру 7. В испарительной камере 7 поступившее тепло расходуется на нагрев минерализованной питательной воды, движущейся по наклонному испарительному лотку 5 в сторону его нижнего торца самотеком за счет его уклона. Последняя подается в наклонный испарительный лоток 5 питательным насосом 12 через впускной коллектор 10, представляющим собой, заглушенную на торцах, горизонтальную перфорированную трубу, перфорация которой выполнена в направлении движения питательной нагреваемой воды, что обеспечивает ее равномерное распределение по ширине полотна наклонного испарительного лотка 5. В процессе нагрева минерализованной воды, которая нагревается до температуры большей, чем температура воды в водоеме 13, часть ее испаряется, а неиспарившаяся часть самотеком перемещается по полотну до нижнего торца наклонного испарительного лотка 5 и через горизонтальную выпускную щель 14 сливается в водоем 13. Полученный в процессе нагрева питательной воды насыщенный водяной пар, через вертикальные щели 9 поступает в нижнюю конденсационную камеру 8 и конденсируется там, в результате чего при выходе на стационарный режим работы опреснителя, давление в конденсационной камере 8 всегда меньше, чем в испарительной камере 7. Конденсация водяного пара, полученного в испарительной камере 7, в конденсационной камере 8 осуществляется в результате процесса теплопередачи от пара через стенки поверхность торцов, бортов и днища нижней конденсационной камеры 8, выполненные с вертикальными и горизонтальными гофрами 17, внутри которых размещены вертикальные и горизонтальные пазы 18, в которые вставлены ТЭП 19, с массивом более холодной воды в водоеме 13, причем полученный насыщенный пар с температурой t_П контактирует при этом с внутренней поверхностью ТЭП 19, нагревая внутренние спаи 23 проволочных отрезков 21 и 22 ТЭЭ 20 ТЭП 19 до температуры t₁. Одновременно, поверхность ТЭП 19, обращенная к воде, охлаждается в результате контакта гофра 17 с водой. При этом тепло, выделяющееся в результате работы фотоэлементов 4 от солнечных лучей, в конечном итоге, тратится на нагрев внутренних спаев 23 ТЭЭ 20, а холод, поступающий от воды, охлаждает наружные спаи 23 этих же ТЭЭ 20 до температуры t₂, в результате чего на противоположных спаях 23 возникает разность температур (t₁-t₂), а в П-образных рядах 24 появляется термоэлектричество, которое суммируется в конденсаторах 26. Полученное под воздействием солнечных лучей электрическая энергия из фотоэлементов 4 и термоэлектричество из ТЭП 19 через коллекторы 27 и 28, поступает в накопительный блок, где осуществляется трансформация напряжения, силы тока и накопление электрической энергии, часть которой расходуется на привод насосов 12 и 16, а другая часть направляется другим потребителям (другие потребители на фиг. 1-10 не показаны).

Полученный конденсат самотеком за счет сил тяжести движется со всех сторон конденсационной камеры 8 по каналам, образованным рядами ТЭП 19, и стекает в емкость для сбора конденсата 15, расположенную в центре днища камеры 8, стекает туда за счет силы тяжести, накапливается там и насосом 16 подается потребителю.

Высота бортиков Δ₁ наклонного испарительного лотка 5, ширина вертикальных щелей 9 Δ₂ выбираются из условия недопущения перелива питательной воды и свободного прохода пара при максимальной нагрузке опреснителя. Ширина горизонтальной выпускной щели Δ₃ должна обеспечивать свободный слив нагретой питательной воды в водоем 13, но в тоже время ее сопротивление по воздуху должно быть значительно больше, чем сопротивление вертикальных щелей по водяному пару, что проверяется аэродинамическим и гидравлическим расчетами. Длина наклонного испарительного лотка 5 выбирается из условия минимального отложения солей на его поверхности, ширина принимается исходя из условий обеспечения равномерного распределения питательной воды на поверхности по его ширине и длине. Производительность предлагаемого солнечного опреснителя можно увеличить путем размещения параллельно нескольких наклонных испарительных лотков 5 в одном корпусе 1.

Количество фотоэлементов 3, размеры корпуса 1 и крышки 2, глубина погружения конденсационной камеры 8 в воду, размеры и шаг между гофрами 17, их длину определяют в зависимости от наружных условий места установки (температуры наружного воздуха, температуры воды, солнечного освещения) и требуемой мощности. Величина разности электрического потенциала на коллекторах 21 и 22, сила электрического тока зависит от характеристик фотоэлементов 3, продолжительности и интенсивности солнечного облучения, характеристик пар металлов из которых изготовлены проволочные отрезки 21 и 22, числа ТЭЭ 20 и ТЭП 19 в П-образных рядах 24 и их числа в камере 8, а также разности температур на противоположных спаях 23 ТЭЭ 20. Полученный электрический ток, помимо обеспечения работы насосов 12 и 16, можно использовать для обслуживания различных технических устройств, а также обогрева и освещения жилых и производственных помещений на берегу водоема, таким образом, конструкция предлагаемого АСО-ЭГ позволяет одновременно проводить масштабный процесс опреснения морской или минерализованной (соленой) воды непосредственно в самом водоеме, транспортировку ее потребителю и генерировать электричество за счет использования солнечной энергии и низкопотенциальной энергии минерализованной (морской) воды, что повышает его эффективность.