PL 222052 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222052 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 401939 (22) Data zgłoszenia: 07.12.2012 (51) Int.Cl. F24J 2/00 (2006.01) F24J 2/42 (2006.01) H01L 31/058 (2006.01) (54) Autonomiczny układ solarny (43) Zgłoszenie ogłoszono: 24.06.2013 BUP 13/13 (73) Uprawniony z patentu: UNIWERSYTET ROLNICZY IM. HUGONA KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE, Kraków, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.06.2016 WUP 06/16 (72) Twórca(y) wynalazku: JAROSŁAW KNAGA, Skała, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Marta Bartula-Toch
2 PL 222 052 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest autonomiczny układ solarny stosowany w instalacji ciepłej wody użytkowej. Ze zgłoszenia patentowego P. 394 411 znany jest sposób oraz instalacja do bezpośredniego podgrzewania wody użytkowej przez energię słoneczną w cieplej porze roku, mający zastosowanie głównie w układach ciepłej wody użytkowej domów jednorodzinnych i hoteli. Rozwiązanie polega na tym, że zimna woda przepływa do kolektora energii słonecznej, tam ulega podgrzaniu, po czym przepływa do zasobnika ciepłej wody, z którego jest wypychana przez poduszkę sprężonego powietrza do miejsca poboru wody w układzie zamkniętym z cyklicznym przepływem realizowanym przez zawór odcinający. Ze zgłoszenia patentowego P. 356 349 znany jest sposób transferu energii słonecznej zgromadzonej przez kolektory do zbiornika magazynowego wody użytkowej, umożliwiający pracę obiegu kolektorów pod niskim ciśnieniem. Rozwiązanie polega na tym, że do zamkniętego obiegu płynu transferowego, transportującego energię cieplną z kolektorów słonecznych do wymiennika ciepła jest wprowadzona zamknięta niskociśnieniowa przestrzeń gazowa. Niskociśnieniowy układ urządzeń transportu energii słonecznej wykorzystuje dwa niezależnie obwody obiegu, przy czym pierwszy obieg transferowy, w którym jest transportowany płyn transferowy, składa się z kolektorów słonecznych połączonych rurami z wymiennikiem ciepła, który połączony jest rurami poprzez zbiornik drenażowy z pompką cyrkulacyjną pierwszego obiegu oraz z kolektorami słonecznymi. Drugi obieg transferowy składa się z pompki cyrkulacyjnej drugiego obiegu zamontowanej na rurociągu doprowadzającym zimną wodę do wymiennika ciepła oraz z rur odprowadzających gorącą wodę z wymiennika ciepła do zbiornika ciepłej wody użytkowej, przy czym pierwszy i drugi obieg transferowy posiada układ sterowania. Istotą wynalazku jest to, że obieg ogrzanej cieczy roboczej na odcinku pomiędzy kolektorem słonecznym a zasobnikiem ciepłej wody użytkowej wyposażony jest w jeden z dwóch czujników temperatury zainstalowany przy bajpasie po stronie kolektora, natomiast drugi czujnik temperatury znajduje się w obiegu schłodzonej cieczy roboczej, wyposażonym w naczynie zbiorcze, zawór bezpieczeństwa i manometr kontrolny, na wyjściu z zasobnika tj. w króćcu wężownicy zasobnika. Obiegi ogrzanej cieczy roboczej i schłodzonej cieczy roboczej połączone są bajpasem, którego jeden koniec znajduje się za czujnikiem temperatury na wejściu do zasobnika, a zarazem przed króćcem wejściowym do tego zasobnika, a drugi koniec wyposażony w zawór trójdrogowy znajduje się za czujnikiem temperatury na wyjściu z zasobnika w obiegu chłodzonej cieczy roboczej a przed pompą obiegową, która połączona jest modułem fotowoltaicznym ze sterownikiem, sterującym zaworem trójdrogowym poprzez siłownik elektryczny. Dwa czujniki temperatury stanowiące rezystory platynowe należą do obwodu elektrycznego sterownika, będąc integralną częścią pomiarowego mostka Wheastone a, którego wyjście połączone jest ze wzmacniaczem. Wzmacniacz poprzez układ separujący połączony jest z siłownikiem elektrycznym sterującym zaworem trójdrogowym. Zaletą przedstawionego układu jest to, że może on działać przy znacznie ograniczonym promieniowaniu słonecznym to jest przy insolacji nie przekraczającej 200 W/m 2. Przy tak ograniczonej insolacji w układzie wykorzystywane są drgania cieplne powstałe w wyniku zmiany pojemności cieplnej cieczy roboczej. Zastosowanie układu pozwala na zmniejszenie powierzchni czynnej kolektorów w wyniku zwiększenia efektywności instalacji solarnej. Układ może pracować przy różnicy poniżej 0,5 C pomiędzy wejściem a wyjściem z zasobnika ciepłej wody użytkowej, podczas gdy w stosowanych obecnie układach różnica ta wynosi co najmniej 2 C pomiędzy kolektorem a zasobnikiem ciepłej wody użytkowej. Autonomiczny układ solarny nie ulega awariom wynikającym z braku zasilania energią elektryczną, co jest szczególnie niebezpieczne w obecnie stosowanych rozwiązaniach solarnych. Przedmiot wynalazku przedstawiony jest przykładami wykonania zilustrowanymi na rysunkach, przy czym fig. 1 przedstawia schemat blokowy autonomicznego układu solarnego, fig. 2 schemat blokowy autonomicznego układu solarnego w obiegu odwróconym, a fig. 3 schemat blokowy analogowego układu sterowania. Autonomiczny układ solarny wyposażony jest w kolektor słoneczny 1, w którym znajduje się ciecz robocza. Na wyjściu z kolektora znajduje się odpowietrznik układu 11. Od kolektora 1 poprowadzony jest obieg, którym płynie ogrzana ciecz robocza do zasobnika ciepłej wody użytkowej 3, wyposażonego w wymiennik ciepła 4. Na wyjściu z zasobnika 3 tj. w króćcu wężownicy zasobnika 3 znajdu-
PL 222 052 B1 3 je się czujnik temperatury T1. Pomiędzy czujnikiem T2 a wejściem do zasobnika od obiegu odprowadzony jest bajpas 13, który kończy się zaworem trójdrogowym 6 zainstalowanym na obiegu schłodzonej cieczy roboczej pomiędzy czujnikiem temperatury T1 a pompą obiegową 9. Zawór trójdrogowy 6 poprzez siłownik elektryczny 5 połączony jest ze sterownikiem 12. Sterownik 12 i pompa obiegowa 9 zasilane są prądem pochodzącym z modułu fotowoltaicznego 2. Obieg schłodzonej cieczy roboczej wyposażony jest ponadto w naczynie zbiorcze 8, zawór bezpieczeństwa 7 oraz manometr kontrolny 10 zainstalowane na odcinku pomiędzy pompą obiegową 9 a wejściem do kolektora 1. Sterownik 12 zawiera dwa platynowe czujniki temperatury T1 i T2 stanowiące integralną część pomiarowego mostka Wheastone a 14, którego zadaniem jest określanie różnicy temperatur T2-T1. Wyjście mostka 14 połączone jest ze wzmacniaczem 15 sygnału różnicowego w zakresie 100 do 1000 razy z potencjometrem. Wzmacniacz 15 poprzez układ separujący połączony jest z siłownikiem elektrycznym sterującym zaworem 6 trójdrogowym. Promieniowanie słoneczne docierające równocześnie do kolektora i fotoogniwa generuje w tych urządzeniach odpowiednio w kolektorze 1 ciepło, a w ogniwie fotowoltaicznym 2 energię elektryczną. Energia elektryczna wytworzona w fotoogniwie jest przeznaczona do napędu pompy obiegowej 9 napięcia stałego (DC) i układu sterowania. Pompa obiegowa przetłacza ciecz roboczą przez kolektor, który odbiera ciepło i przenosi do zasobnika ciepłej wody użytkowej. Proces ten zachodzi jeżeli sterownik 4 przestawi zawór trójdrogowy 6 w położenie zamkniętego bajpasu, co jest wymuszone różnicą temperatur (T2-T1>0,5). Efektem takiego ustawienia zaworu jest otwarcie obwodu wężownicy w zasobniku 3 ciepłej wody użytkowej. W takim układzie ciepło z kolektora jest oddawane do zasobnika 3 ciepłej wody użytkowej do momentu zmiany natężenia promieniowania słonecznego, które z kolei wymusza zmniejszenie różnicy temperatur między czujnikami T2 i T1. Przestawienie zaworu trójdrogowego następuje w chwili wyrównania się temperatur T2=T1. Obwód cieplny zasobnika ciepłej wody użytkowej zostaje zamknięty, a otwarty obwód bajpasu. Takie ustawienie zaworu trójdrogowego 6 zapobiega wypompowywaniu ciepła z zasobnika i jednocześnie powoduje zmianę pojemności cieplnej układu kolektor 1 obwód cieplny bajpasu. Zmniejszenie pojemności cieplnej wywołuje w układzie efekt uderzenia cieplnego przy odpowiednim nasłonecznieniu. Efektem uderzenia cieplnego jest ponowne zamknięcie bajpasu, a otwarcie zasobnika ciepłej wody użytkowej, gdy spełniony jest warunek (T2-T1>0,5). Po obniżeniu energii czynnika w obwodzie kolektora słonecznego tj. wyrównaniu się temperatur T2=T1 następuje ponowne przełączenie obwodów cieplnych do otwarcia bajpasu 13. Przy natężeniu promieniowania poniżej 30 W/m 2 kolektor 1 jak i fotoogniwo 2 przestają generować energię. Układ sterowania zostaje wyłączony samoczynnie poniżej napięcia 6 V i mocy 300 mw generowanej przez moduł 2, a wyłączenie pompy 9 obiegowej następuje po spadku napięcia poniżej 12 V. W chwili zaniku energii elektrycznej generowanej przez ogniwo fotowoltaiczne 2, oraz w chwili podnoszenia się układu sterowania zawór trójdrogowy 6 jest w stanie otwartego bajpasu. Taki stan jest wymagany aby nie wystąpił obieg wsteczny o okresie braku promieniowania słonecznego. Fizycznie pomiar różnicy temperatur jest realizowany przez układ mostkowy, gdzie czujniki T1 i T2 stanowią dwa ramiona, a pozostałe dwa ramiona mostka 14 są wyposażone w rezystory o podwyższonej dokładności. Informacja o różnicy temperatur jest transformowana na sygnał napięciowy o wartości kilku mv w obwodzie mostka 14. Sygnał napięciowy jest następnie wzmocniony do wartości kilku V na wyjściu ze wzmacniacza 14. Za wzmacniaczem 14 znajduje się zespół filtrujący i potencjometr, który służy do kalibracji sterownika 12. Następnie informacja o różnicy temperatur trafia do układu 15 separującego stanowiącego podwójną separację elektryczną oraz modulującą pętlę histerezy na zadanym poziomie, zależnym też od wzmocnienia. Realizowana pętla histerezy jest naturalnym parametrem transoptora, a zapobiega drganiom cewki przekaźnika w stanach nieustalonych. Tak kondycjonowany sygnał analogowy trafia na cewkę mikroprzekaźnika, stanowiącego element wykonawczy sterownika 12. Podanie napięcia na cewkę mikroprzekaźnika zachodzi tylko po spełnieniu warunku T2-T1>0,5, a potwierdza się to zapaleniem diody kontrolnej czerwonej informującej o włączeniu serwomechanizmu, który przestawi zawór trójdrogowy do położenia zamkniętego bajpasu. Wyrównanie się temperatur T2=T1 lub T2-T1<0 spowoduje wyłączenie napięcia na cewce przekaźnika, co jest zasygnalizowane zgaśnięciem diody czerwonej, a zaświeceniem diody żółtej, sygnalizującej przestawienie zaworu trójdrogowego 6 w położenie otwartego bajpasu. Stan taki jest stanem normalnym sterownika 12, co oznacza, że przy braku zasilania sterownika 12 taki stan pozostaje.
4 PL 222 052 B1 Wykaz oznaczeń 1 kolektor słoneczny, 2 moduł fotowoltaiczny, 3 zasobnik ciepłej wody użytkowej, 4 wymiennik ciepła, 5 siłownik elektryczny, 6 zawór trójdrogowy, 7 zawór bezpieczeństwa, 8 naczynie zbiorcze, 9 pompa obiegowa prądu stałego (DC), 10 manometr kontrolny, 11 odpowietrznik układu, 12 sterownik, 13 bajpas, 14 mostek Wheastone a, 15 wzmacniacz, 16 układ separujący, T1 czujnik temperatury w zasobniku ciepłej wody użytkowej, T2 czujnik temperatury w obwodzie bajpasu ciepłej wody użytkowej. Zastrzeżenie patentowe Autonomiczny układ solarny składający się z kolektora słonecznego, modułu fotowoltaicznego, zasobnika ciepłej wody użytkowej z wymiennikiem, pompy obiegowej, czujników temperatury oraz sterownika, znamienny tym, że obieg ogrzanej cieczy roboczej na odcinku pomiędzy kolektorem słonecznym (1) a zasobnikiem ciepłej wody użytkowej (3) wyposażony jest w czujnik temperatury (T2) zainstalowany przy bajpasie (13) po stronie kolektora (1), natomiast czujnik temperatury (T1) znajduje się w obiegu schłodzonej cieczy roboczej, wyposażonym w naczynie zbiorcze (8), zawór bezpieczeństwa (7) i manometr kontrolny (10), na wyjściu z zasobnika (3) ciepłej wody użytkowej, przy czym obiegi ogrzanej cieczy roboczej i schłodzonej cieczy roboczej połączone są bajpasem (13), którego jeden koniec znajduje się za czujnikiem temperatury (T2) na wejściu do zasobnika (3), a zarazem przed króćcem wejściowym do zasobnika (3), natomiast drugi koniec wyposażony w zawór (6) trójdrogowy znajduje się za czujnikiem temperatury (T1) na wyjściu z zasobnika (3) w obiegu schłodzonej cieczy roboczej, a przed pompą (9) obiegową, która połączona jest modułem (2) fotowoltaicznym ze sterownikiem (12) sterującym zaworem (6) trójdrogowym poprzez siłownik (5) elektryczny, przy czym dwa czujniki (T1, T2) temperatury stanowiące rezystory platynowe należą do obwodu elektrycznego sterownika (12), będąc integralną częścią pomiarowego mostka Wheastone a (13), którego wyjście połączone jest ze wzmacniaczem (15), który z kolei poprzez układ separujący (16) połączony jest z siłownikiem elektrycznym (5) sterującym zaworem trójdrogowym (6).
PL 222 052 B1 5 Rysunki
6 PL 222 052 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)