Способ, устройство и магнитная ловушка для регулирования энергоэффективности и светопропускания солнечного коллектора с жидким теплоносителем
Изобретение относится к альтернативной энергетике, в частности к солнечным коллекторам с жидкостью-теплоносителем, нагреваемой энергией солнечной радиации. В прозрачную жидкость-теплоноситель добавляют мелкоструктурную ферромагнитную композицию, увеличивающую светопоглощающие свойства полученной суспензии, например порошковый кобальт или порошок окиси железа, а также диссоциирующие в жидкости-теплоносителе красители, в качестве которых могут использоваться анилиновые красители, синька или тушь. Элементы мелкоструктурной композиции обладают развитой поверхностью поглощения квантов солнечной радиации и практически мгновенно передают приобретенную таким образом тепловую энергию в жидкость-теплоноситель. Кроме того, микронные размеры элементов мелкоструктурной композиции, а также соотношение поверхность/масса частиц, обуславливают относительно малую скорость их витания в жидкости, что обеспечивает их достаточно равномерную концентрацию в суспензии даже при естественной конвекции. В устройство для регулирования энергоэффетивности солнечного коллектора в составе солнечной панели с каналами для циркуляции жидкости-теплоносителя с подводящим и отводящим патрубками, с присоединенными к ним теплообменником и гидронасосом, введен и врезан в контур циркуляции жидкости-теплоносителя модуль для регулировки концентрации введенных в устройство мелкоструктурных ферромагнитных компонентов в жидкости-теплоносителе в виде магнитной ловушки с осадочным карманом или конусом, снабженной входами ручного или электрического управления силой удержания в осадочном кармане мелкоструктурных ферромагнитных компонентов. В устройстве обеспечено автоматическое поддержание заданных энергпроизводительности или светопропускания солнечной панели с жидким теплоносителем. Магнитная ловушка обеспечивает улавливание мелкоструктурных ферромагнитных компонентов и возможность увеличения светопропускания или энергопроизводительности солнечной панели при ее использовании, например, в качестве покрытия теплицы. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к альтернативной энергетике, в частности к солнечным коллекторам с жидкостью-теплоносителем, нагреваемой энергией солнечной радиации.
Известны солнечные коллекторы, выполненные из панелей сотового полипропилена или поликарбоната [1, 2], по каналам которых протекает жидкость-теплоноститель, нагреваемая энергией солнечной радиации. Для повышения энергоотдачи используют окрашивание экрана за панелью в темный цвет или ее исполнение в виде светоотражающего покрытия, чем обсеспечено двукратное пропускание энергии солнечного потока через жидкость-теплоноситель.
Недостатком известных технических решений является их относительно низкая энергоэффективность и отсутствие ее регулирования, поскольку:
- в первом случае теплопередача основной части энергии происходит с теплопотерями от нагреваемого «черного» экрана через поверхность панели в жидкость, между которыми неизбежно присутствует прослойка из воздуха даже при нанесении экрана на поверхность панели;
- во втором случае эффективность энергопередачи в значительной степени зависит от светопоглощения жидкости-теплоносителя и материала самой панели.
К тому же эти способы практически непригодны для солнечных коллекторов, выполняющих дополнительную функцию защитного купола теплиц, поскольку в этом случае необходимо сохранить светопропускание к растениям высокочастотной части видимого света для фотосинтеза.
Техническим результатом изобретения является электрическое управление энергоэффективностью и светопропусканием панелей солнечных коллекторов с жидкостью-теплоносителем.
Для достижения технического результата в способе регулирования энергоэффективности и светопропускания солнечных коллекторов с жидкостью-теплоносителем, содержащем операции поглощения энергии квантов спектра солнечного излучение жидкостью-теплоносителем, циркулирующей через светопрозрачные каналы солнечного коллектора, в жидкость-теплоноситель вводят мелкостуктурные ферромагнитные компоненты, с высокими квантопоглощающими свойствами, многократно увеличивающие световоспринимающую поверхность солнечного коллектора и обеспечивают регулирование концентрации мелкостуктурных ферромагнитных компонентов с помощью магнитной ловушки, требуемое светопропускание солнечного коллектора обеспечивают формированием кода управления источником питания магнитной ловушки с помощью фотодатчика и АЦП (аналогового цифрового преобразователя) с задатчиком требуемого значения светопропускания или изменением магнитных зазоров в магнитной ловушке, а требуемое избирательное светопропускание солнечного коллектора обеспечивают введением в жидкость-теплоноситель красителей, диссоциирующих в жидкости-теплоносителе, в качестве которых могут использоваться анилиновые красители, синька или тушь, кроме того, что тепловую производительность и светопропускание солнечного коллектора регулируют изменением скорости протекания жидкости-теплоносителя.
Для достижения технического результата в устройство для регулирования энергоэффетивности солнечного коллектора в составе солнечной панели с каналами для циркуляции жидкости-теплоносителя, подводящего и отводящего патрубков, присоединенных к ним теплообменника и гидронасоса, в устройство введены и врезаны в контур циркуляции жидкости-теплоносителя модуль для регулировки концентрации введенных в устройство мелкоструктурных ферромагнитных компонентов в жидкости-теплоносителе в виде магнитной ловушки с осадочным карманом или вертикальным конусом из немагнитного материала, снабженной входами ручного или электрического управления силой удержания мелкоструктурных ферромагнитных компонентов, а также размещенные в конусе ферромагнитный диск с отверстиями для протока жидкости и керн, размещенный снаружи соосно с вертикальным конусом полый конический магнит, образующий совместно с ферромагнитными диском и керном магнитную систему с магнитными зазорами, как вариант, полый конический магнит ловушки выполнен постоянным и снабжен элементом механического перемещения по оси ловушки или снабжен электрической обмоткой, питаемой от управляемого источника, кроме того, вход электрического управления силой удержания мелкоструктурных ферромагнитных компонентов выполнен кодовым и является входом введенного в устройство управляемого источника питания магнитной ловушки, к тому же к кодовым входам управляемого источника питания магнитной ловушки подключены выходы АЦП, введенного в устройство с фотодатчиком на его входе, а для осветления жидкости отключают питание гидронасоса через введенный в устройство вход управления гидронасосом.
Структура устройства, реализующего предложенный способ, приведена на фиг.1. Устройство содержит панель 1 солнечного коллектора из сотового поликарбоната, которая с помощью подводящего 2 и отводящиего 3 патрубков присоединена к змеевику 4 теплообменника 5 через гидронасос 6, осадочный карман 7 и магнитную ловушку 8. Полость 9 теплообменника 5 заполнена водой, втекающей по патрубку 10 и вытекающей по патрубку 11 через кран 12. Магнитная ловушка имеет обмотку 13, питаемую током от управляемого источника тока 14, имеющего входы кодового управления 15.
Для уменьшения концентрации суспензии подают код управления Ny на входы 15 управляемого источника 14, увеличивающий ток в обмотке 13 электромагнитной ловушки 8, при этом мелкоструктурные ферромагнитные элементы из суспензии оседают на полюсах электромагнитной ловушки 8, жидкость-теплоноситель осветляется, ее светопрозрачность увеличивается.
Для увеличения концентрации суспензии ток через обмотку 13 магнитной ловушки 8 уменьшают или отключают, с помощью гидронасоса 6 или конвекционного напора обеспечивают скорость протекания жидкости-теплоносителя через солнечный коллектор выше скорости витания мелкоструктурных компонентов, они захватываются потоком жидкости-теплоносителя, чем и обеспечивается повышение их концентрации в суспензии и снижение светопрозрачности. Вариантом повышения концентрации мелкоструктурных компонентов в суспензии является также их интенсивное смешивание, например, встряхиванием осадочного кармана 7 с мелкоструктурными ферромагнитными элементами, которые будут подхвачены потоком жидкости-теплоносителя или кратковременным увеличением скорости протекания по ней жидкости-теплоносителя.
Возможно автоматическое поддержание требуемой светопрозрачности суспензии в солнечном коллекторе 1 за счет фото датчика 16 и АЦП 17 с элементом 18 задания уровня светопрозрачности. Кодовые выходы 19 АЦП 17 подключены ко входам 15 управляемого источника 14 тока, причем АЦП 17 формирует код, значение которого обратно пропорционально фактическому значению светопрозрачности жидкости-теплоносителя, поэтому при превышении светопрозрачности жидкости-теплоносителя ток через обмотку 13 уменьшится, концентрация мелкоструктурных элементов в суспензии возрастет и светопрозрачность суспензии понизится и наоборот. Кроме того, для повышения светопрозрачности и снижения энергоэффективности на введенный в устройство вход 20 управления гидронасосом подают сигнал отключения питания гидронасоса 6. Как вариант, возможно использование в качестве магнитной ловушки постоянных магнитов с регулировкой эффективности улавливания мелкоструктурных ферромагнитных компонентов механическим или электромеханическим изменением их положения.
Применение цветных красителей, сохраняющих теплоноситель прозрачным, дает возможность корректировать спектр достигающего растений солнечного света в желаемом направлении, а задерживаемую жидким светофильтром часть спектра солнечного излучения преобразовывать в тепловую энергию и канализировать ее в нужном направлении, например, на подогрев воды для полива. Регулировку концентрации мелкоструктурной ферромагнитной композиции в широких пределах обеспечивают с помощью электромагнитной ловушки с осадочным карманом, например, которые устанавливаются на входе солнечного коллектора. Кроме того, при снижении скорости движения жидкости ниже скорости витания мелкоструктурная композиция быстро выпадает из суспензии в осадок и жидкость приобретает первоначальную светопрозрачность. Это свойство также может быть использовано для осветления суспензии исключением принудительной циркуляции жидкости в гидросистеме, что приведет к оседанию мелкоструктурной ферромагнитной композиции в отстойном кармане, например.
Возможность оперативного регулирования светопропускания и энергоэффективности солнечных коллекторов существенно расширяют их функциональные возможности по сравнению с известными способами.
Предложенное выше техническое решение целесообразно для коллекторов большой тепловой мощности. Для небольших коллекторов с выходной тепловой мощностью до 5 кВт предлагается упрощенный вариант устройства на основе постоянных магнитов, представленный на Фиг.2.
Ферромагнитные мелкоструктурные компоненты теплоносителя удерживаются в расположенном выше отводящего патрубка 3 солнечной панели 1 конусе 21 с помощью магнитной ловушки 8 (модуля для регулировки концентрации), содержащей конический постоянный магнит 22, установленный подвижно относительно конуса 21 и перемещаемый из нижнего положения в верхнее с помощью элемента 23. Внутри конуса 21 неподвижно размещен ферромагнитный диск 24 с отверстиями 25 и керном 26. В нижнем положении конического постоянного магнита 22 созданы большие зазоры δ1 между поверхностями диска 24, керна 26 и постоянного магнита 22. За счет высокого магнитного сопротивления в больших зазорах магнитной ловушки силы магнитного притяжения мелкоструктурных ферромагнитных компонентов недостаточны для их удержания в конусе 21 и жидкость-теплоноситель, равномерно насыщенная этими компонентами /светопоглощающим порошком/, обладает высоким коэффициентом поглощения энергии квантов света. В верхнем положении конического постоянного магнита 22 магнитные зазоры 62 и магнитное сопротивление в магнитной ловушке малы, как следствие, светопоглощающий порошок оседает в малых зазорах δ2 и на конусе 21 - жидкость-теплоноситель осветляется, интенсивность ее нагрева снижается, скорость конвекции жидкости-теплоносителя по панели 1 и теплоотдача солнечного коллектора падает. При перемещении конического постоянного магнита 22 в нижнее положение светопоглощающий порошок под действием силы тяжести или /и/ жидкости-теплоносителя попадает в систему и в солнечный коллектор, под действием солнечных лучей, начинает интенсивно нагревать теплоноситель, увеличивая тем самым процесс естественной конвекции, которая, развиваясь, равномерно разнесет порошок по всему теплоносителю. Таким образом, за счет изменения положения конического постоянного магнита 22 с помощью элемента 23 обеспечивается регулировка теплоотдачи и светопропускания солнечного коллектора. Необходимо отметить, что удерживающая сила магнитной ловушки должна быть достаточной для начала осветления теплоносителя: в условиях интенсивной естественной конвекции.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Энергосберегающая и экологическая теплица. Результаты НИР, рег. №51-219-03. Челябинский ЦНТИ. Сайт http//www.ideasamdmoney.ru.
2. Солнечный коллектор. Патент RU №2224188.
1. Способ регулирования энергоэффективности и светопропускания солнечных коллекторов с жидкостью-теплоносителем, содержащий операции поглощения энергии квантов спектра солнечного излучения жидкостью-теплоносителем, циркулирующей через светопрозрачные каналы солнечного коллектора, отличающийся тем, что в жидкость-теплоноситель вводят мелкоструктурные ферромагнитные компоненты с высокими квантопоглощающими свойствами, многократно увеличивающие световоспринимающую поверхность солнечного коллектора, и обеспечивают регулирование концентрации мелкоструктурных ферромагнитных компонентов с помощью магнитной ловушки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемое светопропускание солнечного коллектора обеспечивают формированием кода управления источником питания магнитной ловушки с помощью фотодатчика и аналогового цифрового преобразователя с задатчиком требуемого значения светопропускания.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемое светопропускание солнечного коллектора обеспечивают изменением магнитных зазоров в магнитной ловушке.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемое избирательное светопропускание солнечного коллектора обеспечивают введением в жидкость-теплоноситель красителей, диссоциирующих в жидкости-теплоносителе, в качестве которых могут использоваться анилиновые красители, синька или тушь.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловую производительность и светопропускание солнечного коллектора регулируют изменением скорости протекания жидкости-теплоносителя.
6. Устройство для регулирования энергоэффективности солнечного коллектора в составе солнечной панели с каналами для циркуляции жидкости-теплоносителя, подводящим и отводящим патрубками, присоединенными к ним теплообменником и гидронасосом, отличающееся тем, что в устройство введен и врезан в контур циркуляции жидкости-теплоносителя модуль для регулировки концентрации введенных в устройство мелкоструктурных ферромагнитных компонентов в жидкости-теплоносителе в виде магнитной ловушки с осадочным карманом или конусом, снабженной входами ручного или электрического управления силой удержания в осадочном кармане мелкоструктурных ферромагнитных компонентов.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что содержит вертикальный конус из немагнитного материала с патрубком, размещенные в конусе ферромагнитный диск с отверстиями для протока жидкости и керн, а также размещенный снаружи соосно с вертикальным конусом полый конический магнит, образующий совместно с ферромагнитными диском и керном магнитную систему с магнитными зазорами.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что полый конический магнит ловушки выполнен постоянным и снабжен элементом механического перемещения по оси ловушки.
9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что полый конический магнит ловушки снабжен электрической обмоткой, питаемой от управляемого источника.
10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что вход электрического управления силой удержания мелкоструктурных ферромагнитных компонентов выполнен кодовым входом введенного в устройство управляемого источника питания магнитной ловушки.
11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что к кодовым входам управляемого источника питания магнитной ловушки подключены выходы аналогового цифрового преобразователя, введенного в устройство с фотодатчиком на его входе.
12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что для осветления жидкости отключают питание гидронасоса через введенный в устройство вход управления гидронасосом.
