RO128418B1 - Instalaţie solară, integrată, pentru cogenerare de apă caldă şi energie electrică, şi stocarea acesteia - Google Patents

Description

Invenția se referă la o instalație solară integrată, pentru cogenerare de apă caldă și de energie electrică, și stocarea acesteia, destinată îndeosebi locuințelor și gospodăriilor individuale, și aduce, totodată, o contribuție la protecția mediului înconjurător, prin folosirea energiei soarelui.

Dinanii 1970, ca urmare a crizei petrolului, folosirea surselor de energii regenerabile, îndeosebi a energiei solare, a condus la realizarea de noi instalații și sisteme ce au la bază această sursă de energie inepuizabilă, gratuită și care nu poate fi controlată de nicio țară.

Creșterea exponențială a invențiilor având la bază energia soarelui s-a datorat în ultimii ani și intenselor preocupări în protejarea mediului înconjurător.

Instalațiile sau sistemele de încălzire solară a apei s-au dezvoltat mult în ultimii ani, datorită inovării și perfecționării acestor tehnologii, ca parte a folosirii de întreaga omenire a surselor de energie regenerabile.

Sistemele de încălzire solară a apei (SIA) sunt larg utilizate în Europa, Asia, în țări ca Grecia, Israel, Cipru, Turcia, Austria, Japonia, China, precum și în Australia, și se folosesc și în America și Africa.

La marea majoritate a instalațiilor, captatorul solar și rezervorul de apă caldă sunt cuplate. Rezervorul de apă caldă este montat deasupra captatoarelor solare, de obicei montate pe acoperiș, și astfel nu este necesară pomparea apei calde în rezervor.

Sunt cunoscute încălzitoarele solare de încălzire a apei produse de firma grecească Malteros (www.maltezos.gr/.../stainless_solar_heaters....), din Atena, Grecia, care constau dintr-un ansamblu de panou solar termic și un rezervor de apă încălzită, care se montează pe acoperișuri plate sau înclinate.

Din anul 2010 este cunoscută invenția US 2010083952 A1, Adaptive seif pumping solar hot water heating system with overheat protection, care se referă la un sistem de încălzire solară a apei cu autopompare și protecție la supraîncălzire. Acest sistem cuprinde niște panouri solare alimentate la presiune normală cu apă rece, iar apa caldă intră în rezervor prin autopompare. Apa caldă este pompată de bulele de abur formate în tuburile panourilor solare, printr-un colector ce are legătură cu rezervorul superior. De aici, printr-un schimbător de căldură, încălzește apa din rezervorul mare de jos.

Din brevetul US 4269170, Adsorption solarheating system, se cunoaște un colector solar al cărui volum este umplut cu zeolit, un mineral care este format din aluminosilicați naturali hidratați de calciu, stronțiu, sodiu, potasiu, bariu, magneziu.

Patul de zeolit oferă un mijloc de stocare a energiei solare, pentru perioadele fără soare, datorită marii sale capacități de absorbție a căldurii.

în timpul orelor fără soare, energia stocată sub formă de căldură latentă de adsorbție este eliberată, atunci când este nevoie, și este absorbită de apa de încălzit.

Din brevetul RO 110175 B1 se cunoaște o instalație solară utilizată atât pentru conversia energiei solare în energie electrică și termică, cât și pentru uscarea sau topirea unor materiale și produse, având posibilitatea orientării după poziția soarelui, cu ajutorul unui dispozitiv programator, și este alcătuită dintr-un captator solar, pe al cărui suport sunt montate niște baterii solare, pentru conversia fotovoltaică, cât și niște uscătoare solare, întreg ansamblu fiind montat pe o construcție metalică, fixată pe un pivot vertical, ce poate fi rotit printr-un mecanism de transmisie astfel, încât ansamblul menționat să urmărească, în permanență, mișcarea soarelui. Captatorul solar menționat este racordat, prin două conducte elastice, la un schimbător de căldură constituit dintr-o serpentină, montat în interiorul unui rezervor vertical cu apă, la partea inferioară a acestuia.

Din documentul CN 201496198 U se mai cunoaște un microhidrogenerator de energie electrică ce se poate monta pe un circuit hidraulic, și care constă dintr-o carcasă de bază, prevăzută cu două mufe, în care se montează un inel magnetic cu pale, rotitor, un

RO 128418 Β1 capac intermediar, etanșat și concentric cu un miez statoric bobinat. La rotirea inelului cu 1 pale, provocată de fluxul de fluid, se induc tensiuni electromotoare în bobinajul statoric, conform legii inducției a lui Faraday. 3

Principalul dezavantaj al soluțiilor prezentate constă în randamentul scăzut al conversiei energiei solare. 5

Prezenta invenție rezolvă problema tehnică de eficientizare a conversiei energiei solare prin cogenerare de energie electrică în sisteme de încălzire a apei cu panouri solare, 7 prin utilizarea efectului de termosifon, respectiv, circulația apei are loc ca urmare a diferenței de densitate dintre apa caldă, încălzită în panoul termic de razele soarelui, care se ridică, și 9 apa rece, care coboară, prin circuitele hidraulice ale panourilor solare, dar și a energiei potențiale a căderii apei calde prin țevile verticale de la rezervorul de apă caldă montat la 11 înălțime (de exemplu, pe acoperișul unei clădiri), spre locurile de utilizare a apei încălzite solar (baie, bucătărie, dușuri, piscină). 13

Instalația solară integrată, conform invenției, înlătură dezavantajele soluțiilor cunoscute din stadiul tehnicii prin aceea că este alcătuită dintr-unul sau mai multe panouri 15 solare, un rezervor de apă caldă, în care apa încălzită de soare urcă, prin efectul de termosifon, și este colectată, o rețea de țevi și dispozitive de acționare, protecție și măsură, 17 ca, de exemplu, vane, robinete, flotoare, apometre, ce are în circuitul hidraulic închis al ansamblului panouri solare termice - rezervor de apă încălzită, precum și în circuitul hidraulic 19 dintre rezervorul de apă încălzită și utilizator, unul sau mai multe microhidrogeneratoare de energie electrică cu rotor ușor și palete magnetice, care sunt acționate de presiunea redusă 21 a apei care circulă prin efectul de termosifon, asigurând astfel cogenerarea continuă de energie electrică prin niște interfețe electronice de filtrare și redresare a curentului electric, 23 și o baterie de stocare a energiei electrice produse.

Instalația solară integrată, pentru cogenerare de apă caldă și energie electrică, și 25 stocarea acesteia, conform prezentei invenții, prezintă următoarele avantaje:

- produce (cogenerează) apă caldă menajeră și energie electrică; 27

- prezintă costuri mici de montare și punere în funcțiune;

- contribuie la protejarea mediului înconjurător; 29

- prin folosirea efectului de termosifon, asigură cogenerarea continuă de energie electrică, atunci când vremea este însorită, energie electrică ce este permanent stocată în 31 acumulatoare, și folosită când este nevoie;

- este necesară, pentru producerea și de energie electrică, montarea de 33 microgeneratoare la fiecare robinet.

Se dau, în continuare, exemple de realizare a invenției în legătură și cu fig. 1...6, ce 35 reprezintă:

- fig. 1, schema bloc a instalației solare integrate pentru cogenerare de apă caldă și 37 energie electrică, și stocarea acesteia, conform invenției, cu microhidrogeneratoare în circuitele hidraulice ale panoului solar și rezervor apă caldă-utilizatori;39

- fig. 2, schema bloc a unui prim exemplu de realizare a instalației solare integrate, pentru cogenerare de apă caldă și energie electrică, și stocarea acesteia, conform invenției, 41 cu un nou microhidrogenerator de c.a. montat în circuitul hidraulic închis al panoului solar termic;43

- fig. 3, schema bloc a unui al doilea exemplu de realizare a instalației solare integrate, pentru cogenerare de apă caldă și energie electrică, și stocarea acesteia, conform 45 invenției, cu un microhidrogenerator de c.c. montat în circuitul hidraulic închis al panoului solar termic;47

RO 128418 Β1

- fig. 4, vedere a unui microhidrogenerator de curent alternativ (mHGi - c.a.), creat special pentru instalația conform prezentei invenții;

- fig. 5, secțiune transversală printr-un microhidrogenerator cu rotor ușor cu palete magnetice care pot fi acționate și de presiunea redusă a apei care circulă, prin efectul de termosifon;

- fig. 6, vedere fotografică a unei ramuri a circuitului hidraulic închis al ansamblului panou solar și rezervor de apă ale instalației solare integrate, realizată conform prezentei invenții.

Instalația solară integrată, pentru cogenerare de apă caldă și energie electrică, și stocarea acesteia, conform prezentei invenții, care aduce o contribuție la protecția mediului, asigură încălzirea apei folosind panouri solare concomitent cu obținerea de energie electrică, utilizând efectul de termosifon și energia potențială a căderii apei prin țevi, de la înălțimea clădirilor pe acoperișul cărora sunt montate panourile solare și rezervoarele de apă caldă.

Efectul de termosifon asigură circulația ca urmare a diferenței de densitate dintre apa caldă, încălzită în panoul termic de razele soarelui, care se ridică, și apa rece, care coboară.

Invenția, prin folosirea efectului de termosifon, când vremea este însorită, asigură cogenerarea continuă de energie electrică, ce este stocată în acumulatoare și folosită când este nevoie.

în continuare se prezintă, în detaliu și cu referire la fig. 1, modul de realizare a invenției și câteva exemple de realizare.

Instalația solară integrată, pentru cogenerare de apă caldă și energie electrică, și stocarea acesteia, este alcătuită, în principal, dintr-unul sau mai multe panouri solare S, un rezervor R în care apa încălzită de soare intră prin efectul de termosifon, este colectată și constituie unul dintre ansamblurile instalației; ansamblul panouri solare S - rezervor de apă încălzită R are montate în circuit niște microhidrogeneratoare de energie electrică mHGi, ^cu rotor ușor și palete magnetice.

în fig. 1 sunt reprezentate două microhidrogeneratoare de energie electrică, mHGi și mHG₂, montate în circuitele hidraulice C, și C₂, având niște interfețe electronice de filtrare și redresare Ι_ή și l₂, montate între microhidrogeneratoarele mHGi, Ș> ⁰ baterie B de stocare a energiei electrice produse. Instalația solară mai conține o rețea de țevi și dispozitive de acționare, protecție și măsură, ca, de exemplu, robinete, flotoare, apometre etc., în sine cunoscute și nefigurate.

în ansamblul panou solar S - rezervor R de apă încălzită are loc generarea de apă caldă și, în același timp, generarea de energie electrică, precum și stocarea acestora în vederea folosirii, îndeosebi în locuințele și gospodăriile individuale chiar și izolate.

Rezervorul R de apă încălzită solar are în interior un schimbător de căldură Sch în formă de spirală. în schimbătorul de căldură Sch, agentul termic cedează căldura și încălzește apa din rezervorul R, care este montat cuplat cu panoul solar S. Rezervorul R de apă încălzită solar este montat la înălțimea panourilor solare S și, de obicei, sunt montate împreună.

în numeroase cazuri, ansamblul panou solar S - rezervor R de apă încălzită este montat pe acoperiș sau în podul clădirilor și, astfel, nu este necesară pomparea apei calde din rezervorul R.

între panourile solare S și schimbătorul de căldură Sch din interiorul rezervorului de apă încălzită R, circulația agentului termic se face în circuit hidraulic închis. Așa cum se știe, panourile solare sunt dispozitive pentru captarea și transformarea energiei solare în energie termică sau electrică.

RO 128418 Β1

Panourile solare S pot fi panouri solare termice St sau ansambluri integrate Si de 1 panouri solare termice cu panouri voltaice. La ansamblurile integrate Si, cunoscute în stadiul tehnicii, partea superioară transparentă este un panou voltaic, și partea inferioară este un 3 panou termic, prin care circulă agentul termic. Panourile solare termice St, spre deosebire de panourile solare fotovoltaice, au un randament mult mai mare. 5 în panourile solare termice St agentul termic este încălzit de razele solare și urcă, drept urmare a efectului de termosifon, în schimbătorul de căldură Sch din rezervorul de apă 7 caldă R, ca urmare a diferenței dintre greutatea specifică a apei calde, care se ridică prin conducta de plecare din panoul solar termic St, și greutatea specifică a apei reci, care 9 coboară și intră în panoul termic St.

Panoul solar termic St captează razele solare și le transformă în energie termică, 11 folosind întreg spectrul radiației solare ajunsă pe suprafața acestuia. De aceea randamentul panoului solar termic St este mare, și anume, 60...75% din energia razelor solare care cad 13 pe el. în Europa, energia razelor solare incidente are valori cuprinse în plaja: 200...1000 W/m.p., în funcție de latitudine, starea vremii și anotimp. 15

Microhidrogeneratoarele de energie electrică mHG, _n cu rotor ușor și palete magnetice pot fi acționate și de presiunea redusă a apei care circulă prin efectul de 17 termosifon.

Microhidrogeneratorul mHG, este montat într-o ramură descendentă C, a panoului 19 solar S.

Microhidrogeneratorul mHG, este acționat de apa împinsă de efectul de termosifon 21 din panoul solar S, dar și de căderea apei care a cedat căldura în serpentina schimbătorului de căldură (energia potențială) Sch. 23 în schimbătorul de căldură Sch căldura este cedată apei din rezervorul R, iar agentul termic se răcește și se reîntoarce în panoul solar S. Când panoul solar nu mai este încălzit 25 de razele solare, circulația agentului termic se oprește.

După perioada de noapte și apariția soarelui, repornirea microhidrogeneratorului 27 mHG, cu rotor ușor cu palete magnetice se face după încălzirea apei, prin curgerea gravitațională pe țeava de apă rece Tr, de retur. 29

Interfața electronică I este un bloc electronic de filtrare și redresare a tensiunii electrice produse de microhidrogeneratoarele mHGi cu rotor ușor și palete magnetice, în 31 scopul încărcării bateriei B de stocare a energiei electrice. Energia electrică stocată în bateria B poate fi folosită oricând. 33

Instalația conform prezentei invenții nu este dependentă de rețeaua electrică deoarece apa caldă circulă prin cădere liberă, dar trebuie amplasată la o înălțime superioară 35 celui mai de sus consumator.

Instalația conform prezentei invenții produce continuu energie electrică în perioadele 37 însorite ale zilei, prin minihidrogeneratoarele mHGj cu rotor ușor și palete magnetice, din circuitele hidraulice închise ale panourilor solare termice, și, ocazional, pe circuitul hidraulic 39 dintre rezervorul R de apă încălzită și consumatori.

într-un alt exemplu de realizare a prezentei invenții, cu referire la fig. 2, instalația are 41 un microhidrogenerator mHG cu rotor cu palete magnetice, de curent alternativ, montat în ramura descendentă C., a circuitul hidraulic închis al ansamblului panou solar termic S - 43 rezervor R de apă încălzită. Microhidrogeneratorul mHG cu rotor cu palete magnetice de curent alternativ este alcătuit dintr-o miniturbină care este însuși rotorul ușor, cu șase palete 45 magnetizate montate pe un ax și într-o carcasă 2, pe care sunt montate două bobine W·! și W₂, în interiorul cărora care se rotește miniturbina cu palete magnetizate și, astfel, conform 47

RO 128418 Β1

Legii Faraday a inducției, se induc tensiuni electromotoare. Bobinele W., și W₂ sunt montate la exterior, astfel că nu intră în contact cu apa care circulă prin miniturbină și în circuitul 3 hidraulic.

Fig. 5 prezintă o secțiune transversală prin microhidrogeneratorul mHG, cu rotor ușor 5 cu palete magnetice. într-o variantă, rotorul ușor cu palete magnetice, care constituie, așa cum am mai arătat, o miniturbină ce este protejată de carcasa 2, are șase palete, dintre care două sunt feromagnetice, magnetizate cu polaritate N-S.

în fig. 3 este prezentat un al doilea exemplu de realizare a invenției.

în acest caz (fig. 3), în ramura descendentă C., a circuitului hidraulicînchisal panoului solar S este montat un microhidrogenerator de curent continuu mHGi.

Claims (3)

1. Revendicări 1

   1. Instalație solară integrată, pentru cogenerare de apă caldă și energie electrică, și 3 stocarea acesteia, alcătuită dintr-unul sau mai multe panouri solare (S), un rezervor de apă caldă (R) ce are, la interior, un schimbător de căldură (Sch), legate prin niște circuite 5 hidraulice (Ο_ή, C₂), constituite dintr-o rețea de țevi pe care sunt montate dispozitive de acționare, de protecție și de măsură, de tip robinete, flotoare, apometre, având montate, pe 7 ramurile descendente ale circuitelor hidraulice (Ο_ή, C₂), niște microhidrogeneratoare (mHGi) de energie electrică, cu rotor ușor și cu palete magnetizate, caracterizată prin aceea că 9 această cogenerare continuă de energie electrică este asigurată de niște interfețe electronice (f, l₂,...) de filtrare și redresare a curentului electric, legate prin cabluri între 11 microhidrogeneratoare (mHGi) Și ⁰ baterie (B) de stocare a energiei electrice induse.
2. 2. Instalație solară integrată, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că 13 panourile solare (S) pot fi panouri solare termice (St) sau ansambluri de panouri solare integrate (Si) termice, cu panouri voltaice. 15
3. 3. Instalație solară integrată, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că microhidrogeneratoarele (mHGi) sunt constituite dintr-o miniturbină care este însuși rotorul 17 cu șase palete magnetizate, montate pe un ax într-o carcasă (2), pe care sunt montate la exterior două bobine (W₁ și W₂). 19