Способ аккумулирования солнечной энергии и устройство его осуществления

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к гелиотеплицам с грунтовым водоносным аккумулятором тепла. В способе аккумулирования солнечной энергии выбирают местность, где грунтовые воды очень близки к поверхности земли, пригодной для сельскохозяйственного использования, и там устанавливают вертикальные скважины с забоем Н=25-30 м для снижения уровня грунтовых вод, толщина грунтового слоя составляет 10-20 м, радиус R зоны действия вертикальной скважины равен, например, 100 м. Устройство для осуществления способа выполнено в виде гелиотеплицы с грунтовым водоносным аккумулятором, для строительства которой в зоне действия скважины уровень грунтовых вод h должен быть снижен до 2 м от поверхности земли, зона действия скважины представляет собой перевернутый конус с радиусом основания R=100 м, вершина конуса совпадает с забоем скважины. Регулирование температуры воздуха теплицы и корнеобитаемого слоя грунта осуществляют циркуляционным контуром, нагрев или охлаждение теплоносителя которого осуществляют за счет солнечной энергии и (или) теплоты грунтового водоносного аккумулятора. На период пиковых отрицательных температур возможна установка дублирующего теплогенератора. Трубы циркуляционного контура одновременно являются элементами конструкции гелиотеплицы. Изобретение должно обеспечить высокую эффективность использования солнечной радиации и ее аккумулирования в водоносном грунте для круглогодичного энергоснабжения культивационных сооружений, увеличения вегетационного периода, снижения себестоимости продукции. 2 н. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к гелиотеплицам с грунтовым аккумулятором тепла.

Известна гелиотеплица, содержащая двойное остекление, теплоизолированную северную стенку, имеющая отражающее покрытие на внутренней поверхности с грунтовым аккумулятором тепла (Н.В.Харченко. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1991, 100-101 с.).

Недостатками данной конструкции являются сложность изготовления и большие капитальные затраты.

Известен грунтовый аккумулятор солнечной энергии, содержащий грунт как тепловой аккумулятор неограниченной емкости, аккумулирующий энергию солнца. Солнечная энергия, поглощенная земной поверхностью, формирует температурный режим слоя грунта толщиной от 10 до 20 м в зависимости от почвенно-климатических условий местности. Ниже этого слоя грунт не подвержен сезонным температурным колебаниям. (Экономия теплоты в индивидуальном доме за счет использования грунта./ Кулагин С.М., Иванченко А.В. Сборник научных статей. ИИСИ/ Иван. инж. стр. инст-т. - 1994, №1. - с.226-228. - Рус.).

Недостатками данного способа аккумулирования тепловой энергии являются нарушения естественного температурного режима грунта глубинных слоев, которые делают использование грунта с помощью теплонасосных систем неэффективным.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является установка для использования тепла солнечного излучения или сбросного тепла ТЭС для отопления, в которой полученное в солнечном коллекторе тепло или сбросное тепло ТЭС передается в теплообменник-аккумулятор, вмонтированный в грунт, и затем аккумулируемое в грунте тепло через теплонасосную установку направляется в тепловую сеть. В установке скважины грунта, в которых проложены трубы теплообменника, уплотняют материалом, имеющим лучшие аккумулирующие свойства, чем грунт. В качестве аккумулирующего материала используется руда, медный гранулят, искусственные материалы (Einrichtung zur Verwedung von durch Lonenstrahlung oder bei der Stromerzeugung gewonnen Warme zu Heizwecken del. Заявка 4113196 ФРГ, МКИ⁵ F23 D 20/00, F24 j 2/00, noatler Frick - №4113967; заявл. 23.04.91, опубл. 29.10.92 - прототип).

Недостатками данной конструкции являются сложность изготовления, нарушение почвенного покрова, большие капитальные затраты и низкая эффективность.

Задачей изобретения является создание способа и функционально обеспеченного устройства с высокой эффективностью использования солнечной радиации и ее теплового аккумулирования в водоносном грунте для круглогодичного теплоснабжения культивационных сооружений, увеличения вегетационного периода, снижения себестоимости продукции.

Указанная техническая задача в части способа решается тем, что в способе аккумулирования солнечной энергии, включающем преобразование солнечной радиации в тепло на принципе парникового эффекта, передачу посредством циркуляционного контура этого тепла в грунтовый аккумулятор в теплый период года и обратно в холодный период, дублирование на время резкого похолодания традиционным источником теплоснабжения, согласно изобретению аккумулирование солнечной энергии осуществляют в водоносном грунте, где грунтовые воды очень близки к поверхности земли, под огражденным шатром гелиотеплицы поверхностным слоем земли, для чего располагают уровень грунтовых вод ниже корнеобитаемого слоя грунта, выкачивают грунтовую воду из водоносного слоя грунта, нагревают ее в гелиотеплице за счет солнечной радиации, закачивают нагретую воду в водоносный слой грунта, а зону действия центральной выкачивающей скважины и периферийных закачивающих скважин, над которой установлена гелиотеплица, формируют в виде перевернутого конуса с заданным радиусом основания, вершина конуса совпадает с забоем скважины, при этом регулирование температуры воздуха в гелиотеплице и температуры корнеобитаемого слоя грунта осуществляют циркуляцией воды грунтового аккумулятора, теплопередачей через корнеобитаемый слой грунта аккумулированного тепла.

Указанная техническая задача в части устройства решается тем, что в устройстве для аккумулирования солнечной энергии, содержащем грунтовый аккумулятор тепла, гелиотеплицу, циркуляционный контур, дублирующий теплогенератор, согласно изобретению содержатся грунтовый водоносный теплоаккумулятор, корнеобитаемый грунтовый слой, осушенный на глубину 2 м и огражденный шатром гелиотеплицы, центральная выкачивающая грунтовые воды скважина с забоем 25-30 м и радиусом зоны действия, например, 100 м, закачивающие скважины с забоем 3-4 м нагретой грунтовой воды, обеспечивающие к концу зарядки грунтового водоносного теплоаккумулятора температуру 35-40°С на глубине 10-15 м и расположенные по периферии вокруг гелиотеплицы под радиационным укрытием, выкачивающая грунтовые воды скважина и закачивающие скважины соединены между собой через теплообменники, часть которых выполнена в виде конструкций гелиотеплицы, например, из металлических труб с диаметром 100 мм.

Прозрачное ограждение гелиотеплицы может быть выполнено из стеклопакетов со светопропускающим и теплоизолирующим заполнением кремнеземным гелем между стеклами.

В результате использования предлагаемого изобретения сохраняют почвенный покров, снижают материалоемкость сооружения, сводят к минимуму потребление традиционного топлива для теплоснабжения (только на период резкого похолодания), обеспечивают круглогодичное функционирование зеленого конвейера, снижают себестоимость продукции.

Результат достигается тем, что аккумулирование солнечной энергии в виде тепла осуществляют под огражденным шатром гелиотеплицы поверхностным слоем земли, пригодной для растениеводства, но непригодной из-за близкого (0,15-0,25 м) расположения уровня грунтовых вод, для чего понижают и удерживают уровень грунтовых вод на отметке 2 м, выкачивают грунтовую воду из глубины 25-30 м, нагревают ее в гелиотеплице за счет солнечной радиации до температуры 45-50°С, попутно исключая перегрев воздуха в гелиотеплице, закачивают нагретую воду в грунт на глубину 12-15 м с таким расчетом, чтобы к концу зарядки аккумулятора, например, к концу октября месяца, температура аккумулированной воды и грунта достигала 35-40°С, а регулирование температур воздуха в гелиотеплице и корнеобитаемого слоя в пределах 12-28°С осуществлялось круглогодично циркуляционным контуром, теплопроводностью аккумулированного тепла через корнеобитаемый слой и теплоотдачей с поверхности огражденной шатром земли, а также ограничением боковых тепловых потоков радиационными укрытиями.

Для осуществления способа аккумулирования солнечной энергии предложено устройство, которое выполнено в виде гелиотеплицы с расположенным под ней и под осушенным на глубину 2 м корнеобитаемым слоем грунта грунтовым водоносным аккумулятором. В центре гелиотеплицы обустроена выкачивающая грунтовые воды скважина с забоем 25-30 м. Радиус основания шатра гелиотеплицы, например 100 м, равен радиусу основания зоны действия выкачивающей грунтовые воды скважины. С внешней стороны гелиотеплицы расположены радиационные укрытия с радиусом основания, например, 5 м, содержащие закачивающие скважины нагретой в гелиотеплице грунтовой воды до 45-50°С при зарядке грунтового водоносного аккумулятора или охлажденной в гелиотеплице при его разрядке. Забой закачивающих скважин составляет 3-4 м и совпадает с крайними боковыми точками зоны действия выкачивающей грунтовые воды скважины, образуя форму грунтового водоносного аккумулятора в виде, близком к перевернутому конусу, так как нагретая вода, как более легкая, остается выше более холодной и стекает в радиальном (горизонтальном) направлении к выкачивающей грунтовые воды скважине. Выкачивающая и закачивающие скважины соединены внутри гелиотеплицы между собой через теплообменники, часть которых выполнена в виде несущих конструкций шатра гелиотеплицы, например, из металлических труб с диаметром 100 мм, образуя циркуляционный контур «выкачивающая грунтовые воды скважина - теплообменники, включающие несущие конструкции - закачивающие скважины - грунтовый водоносный аккумулятор - выкачивающая грунтовые воды скважина». Для того чтобы через поверхность шатра максимально проникало солнечное излучение и были меньше тепловые потери, прозрачное ограждение выполнено хорошо светопроводящими и теплоизоляционными стеклопакетами, заполненными кремнеземным гелем между стеклами. Часть солнечной энергии - фитоактивная радиация (ФАР) - расходуется на фотосинтез в растениях, остальная часть нагревает конструкции, внутренний воздух теплицы и поверхностный слой грунта. Регулирование температуры воздуха теплицы и корнеобитаемого слоя грунта осуществляют циркуляционным контуром, теплопроводностью аккумулированного тепла через корнеобитаемый слой грунта и теплоотдачей с его поверхности, а также ограничением боковых тепловых потоков радиационными укрытиями. На период пиковых отрицательных температур возможна установка дублирующего теплового генератора. Устройство содержит необходимую контрольную и регулирующую аппаратуру, систему орошения и питания культивируемых растений, другую инфраструктуру.

Гелиотеплица в виде цилиндрической конструкции с куполообразной крышей устанавливается над зоной действия скважины. Несущими конструкциями являются трубы-теплообменники диаметром, например, 100 мм. Эти конструкции соединены в единый или секционированный гидравлический контур, в котором циркулирует вода, полученная из выкачивающей скважины. После прохождения по теплообменникам вода подается к закачивающим скважинам, установленным вокруг теплицы под радиационными укрытиями. Забой этих скважин совпадает с крайней точкой зоны действия выкачивающей грунтовые воды скважины. Расходы воды в выкачивающей скважине и в закачивающих скважинах подобраны таким образом, чтобы уровень грунтовых вод поддерживался на расстоянии 2 м от поверхности земли. За счет проникающей через прозрачную часть шатра гелиотеплицы солнечной радиации и теплоносителя циркуляционного контура, активированного солнечной радиацией и (или) грунтовым водоносным аккумулятором, формируют температурный режим гелиотеплицы. Для того чтобы через прозрачную поверхность максимально проникало солнечное излучение и были меньше тепловые потери, ограждение выполнено хорошо светопроводящими и теплоизоляционными стеклопакетами с заполнением между стеклами кремнеземным гелем. Часть солнечной энергии - фитоактивная радиация расходуется на фотосинтез в растениях, остальная часть нагревает конструкции, внутренний воздух теплицы и поверхностный корнеобитаемый слой грунта.

Растения при температуре 10°С используют ФАР на 100%, а при температуре 30°С использование ФАР уменьшается до минимума. Поэтому целесообразно излишек тепла извлекать с помощью теплообменников, в том числе в виде несущих конструкций, закачивающих и выкачивающих скважин, и аккумулировать его в водоносном грунте. В итоге регулируют температурный режим внутри теплицы.

Температурный режим в корнеобитаемом слое грунта формируют в интервале температур от «биологического нуля» (11°С) до пороговой температуры (30°С) и составляет в рассматриваемом устройстве 12-28°С. При температуре выше 30°С тонкие корни растений погибают. Для каждой сельскохозяйственной культуры существуют оптимальные температуры для развития корневой системы. Оптимальная температура достигается регулированием действий на корни растений двух тепловых потоков: из верхнего слоя почвы и из грунтового водоносного аккумулятора.

Создание гелиотеплицы цилиндрической формы с куполообразной крышей и размещение вокруг нее радиационных укрытий позволяет уменьшить тепловые потери.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена общая схема устройства для способа аккумулирования солнечной энергии. Устройство содержит: гелиотеплицу 1 из несущих конструкций-теплообменников 2 с прозрачным покрытием из стеклопакетов с кремнеземным гелем 3; радиационные укрытия 4; корнеобитаемый слой грунта 5; грунтовый слой 6; выкачивающая грунтовые воды скважина 7; закачивающие скважины 8; зона действия скважин 9; глубинные насосы 10; насосы 11.

На фиг.2 показаны линии тока грунтовой воды от закачивающих скважин к выкачивающей скважине.

Способ аккумулирования солнечной энергии осуществляют следующим образом. Солнечное излучение попадает в теплицу непосредственно через покрытие, выполненное из светопрозрачного стеклопакета с кремнеземным гелем 3. Это покрытие пропускает не менее 90% падающего на него солнечного излучения и является эффективным теплоизолятором. Проникающая солнечная радиация расходуется на фотосинтез в растениях (фитоактивная часть радиации), на нагрев внутреннего воздуха теплицы 1, ограждающих несущих конструкций 2, которые окрашены черным цветом, и на нагрев поверхностного слоя почвы.

Создание температурного поля 12-28^оС осуществляют следующим образом.

Через несущую конструкцию 2, выполняющую роль теплообменника, циркулирует грунтовая вода, выкачиваемая через фильтры из скважины 7. Нагретая солнечным излучением, она закачивается обратно в грунт через закачивающие скважины 8 и как более легкая не стекает дальше непрогретой грунтовой зоны, а стекает к выкачивающей скважине 7 в радиальном (горизонтальном) направлении. Линии тока воды из выкачивающей скважины показаны на фиг.1, а на фиг.2 - от закачивающих скважин к выкачивающей. Тепло аккумулируют в виде нагретой воды и грунта в зоне действия выкачивающей и закачивающих скважин, часть тепла теряется путем теплопроводности в слоях грунта, находящихся вокруг зоны действия выкачивающей и закачивающих скважин. Зарядку аккумулятора осуществляют в теплое время года, в течение которого вода циркулирует по несущим конструкциям гелиотеплицы и теплообменникам, отбирая излишки тепла и аккумулируя их в водоносном грунте. В конце зарядки температура в грунтовом водоносном аккумуляторе достигает 35-40°С при глубине аккумулятора в среднем 10-15 м. Это тепло, попадая в корнеобитаемый слой грунта, регулирует оптимальный температурный режим 12-28°С между «биологическим нулем» и пороговой температурой 30°С.

Тепловые потери уменьшены благодаря цилиндрической форме стен и куполообразной форме крыши шатра гелиотеплицы, а также наличию радиационных укрытий 4 над закачивающими скважинами вокруг гелиотеплицы, которые также могут использоваться как культивационные сооружения.

Зимний режим разрядки грунтового водоносного аккумулятора осуществляют следующим образом.

Через выкачивающую скважину 7 теплую воду из верхнего слоя грунтового водоносного аккумулятора подают в циркуляционный контур по несущим конструкциям 2, где она отдает тепло внутреннему воздуху гелиотеплицы 1, а охлажденную воду закачивают обратно в грунт, где она стекает ниже более нагретых слоев, поднимая их вверх, вследствие чего уровень верхнего слоя остается постоянным. Затем цикл повторяется. В корнеобитаемом слое грунта формируется температурное поле путем теплопередачи от грунтового водоносного аккумулятора к воздуху внутри гелиотеплицы.

Изготовление гелиотеплицы включает: выбор места сооружения по водотехническим параметрам, обычно это плодородные, но сильно обводненные земли с глубиной залегания грунтовых вод на глубине 0,15-0,25 м; подбор по техническим параметрам и создание выкачивающей грунтовые воды скважины и закачивающих скважин, создание дублирующей выкачивающей грунтовые воды скважины на случай выхода из строя основной; понижение уровня грунтовых вод до 2 м; изготовление и монтаж конструкции гелиотеплицы рекомендуемой формы (цилиндр с куполообразной крышей), в том числе из труб-теплообменников по заданным геометрии и размерам; соединение теплообменников со скважинами; монтаж стеклопакетов с кремнеземным гелем; изготовление и размещение вокруг гелиотеплицы над закачивающими скважинами радиационных укрытий, создание инфраструктуры гелиотеплицы (досветка, система орошения и питания растений, контрольная и регулирующая аппаратура, транспорт и др.).

1. Способ аккумулирования солнечной энергии, включающий преобразование солнечной радиации в тепло на принципе парникового эффекта, передачу посредством циркуляционного контура этого тепла в грунтовый аккумулятор в теплый период года и обратно в холодный период, дублирование на время резкого похолодания традиционным источником теплоснабжения, отличающийся тем, что аккумулирование солнечной энергии осуществляют в водоносном грунте, где грунтовые воды очень близки к поверхности земли, под огражденным шатром гелиотеплицы поверхностным слоем земли, для чего располагают уровень грунтовых вод ниже корнеобитаемого слоя грунта, выкачивают грунтовую воду из водоносного слоя грунта, нагревают ее в гелиотеплице за счет солнечной радиации, закачивают нагретую воду в водоносный слой грунта, а зону действия центральной выкачивающей скважины и периферийных закачивающих скважин, над которой установлена гелиотеплица, формируют в виде перевернутого конуса с заданным радиусом основания, а вершина конуса совпадает с забоем скважины, при этом регулирование температуры воздуха в гелиотеплице и температуры корнеобитаемого слоя грунта осуществляют циркуляцией воды грунтового аккумулятора, теплопередачей через корнеобитаемый слой грунта аккумулированного тепла.

2. Устройство для аккумулирования солнечной энергии, содержащее грунтовый аккумулятор тепла, гелиотеплицу, циркуляционный контур, дублирующий теплогенератор, отличающееся тем, что устройство содержит грунтовый водоносный теплоаккумулятор, корнеобитаемый грунтовый слой, осушенный на глубину 2 м и огражденный шатром гелиотеплицы, центральную выкачивающую грунтовые воды скважину с забоем 25-30 м и радиусом зоны действия, например, 100 м, закачивающие скважины с забоем 3-4 м нагретой грунтовой воды, обеспечивающие к концу зарядки грунтового водоносного теплоаккумулятора температуру 35-40°С на глубине 10-15 м и расположенные по периферии вокруг гелиотеплицы под радиационным укрытием, выкачивающая грунтовые воды скважина и закачивающие скважины соединены между собой через теплообменники, часть которых выполнена в виде конструкций гелиотеплицы, например, из металлических труб с диаметром 100 мм.

3. Устройство для аккумулирования солнечной энергии по п.2, отличающееся тем, что прозрачное ограждение гелиотеплицы выполнено из стеклопакетов со светопропускающим и теплоизолирующим заполнением кремнеземным гелем между стеклами.