СОЛНЕЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F24J2/08 F24J2/38 

Изобретение относится к области гелиоэнергетических установок, в частности к солнечным нагревателям.

Известно устройство, использующее гелиоэнергетический потенциал и состоящее из корпуса, в котором смонтированы на верхней панели оптические линзы, сфокусированные на светоприемные элементы, выполненные в виде трубчатых входов в оптические световоды собранные в пучок и выведенные к потребителю световой энергии. Корпус закреплен на поворотном устройстве, приводимом в движение в азимутальной плоскости с помощью сервоэлектродвигателя. Корпус в зенитальной плоскости поворачивается с помощью сервоэлектродвигателя и шестеренчатого механизма.

Известен солнечный нагреватель, содержащий корпус, вдоль которого закреплены линзовые концентраторы солнечной энергии, выполненные из полых стеклянных двояковыпуклых элементов, заполненных циркулирующей по ним водой. В фокусах концентраторов расположены теплоприемные элементы со встроенными в них трубками прямого и обратного контуров, по которым циркулирует подогреваемая вода и которые по гидравлической схеме включены последовательно с полостями линзовых элементов. Подогретая вода проходит в теплообменники теплоприемных элементов (авторское свидетельство N 828983, кл. F 24 J 3/02, 1981).

Недостатки такого солнечного нагревателя: он выполнен без устройства регулирования положения концентраторов относительно солнца, что снижает теплоэнерговыработку на 25-30% за годовой цикл; полые стеклянные линзы, включенные в гидравлический тракт и находящиеся поэтому под давлением, не надежны в эксплуатации из-за трудности обеспечить герметичность и прочность стеклянных концентраторов; подобные оптические концентраторы имеют максимальный коэффициент концентрации порядка 40, что несколько ограничивает мощность солнечного нагревателя и снижает его энергоотдачу.

Цель изобретения - повышение теплоэнергоотдачи, солнечного нагревателя за счет применения оптических линзовых концентраторов, набранных в объективы с по меньшей мере двумя концентрирующими линзами, а также повышение теплоэнерговыработки за счет оснащения солнечного нагревателя системой автоматического слежения за солнцем и повышение эффективности теплообмена между водой и теплоприемными площадками за счет применения радиаторных теплообменников из коррозионно- и жаростойкого материала, погруженных во внутреннем объеме емкости нагревателя в воду.

Солнечный нагреватель выполнен в виде герметичной емкости, закрепленной в корпусе, на верхней панели которого закреплены линзовые концентраторы, в фокусе которых размещены теплоприемные площадки из коррозионно- и жаростойкого материала. Теплоприемные элементы выполнены как одно целое с радиаторными теплообменниками, погруженными внутри емкости нагревателя в воду, а внешний периметр корпуса теплоизолирован легким пористым материалом. Трубопровод подачи холодной воды расположен внизу емкости нагревателя, а выходной трубопровод - в верхней части корпуса, и оба они гибкими элементами подсоединены к внешней сети. Корпус солнечного нагревателя установлен подвижно на стойках, которые закреплены на поворотном столе, закрепленном на валу сервоэлектродвигателя азимутального слежения. К нижней части корпуса прикреплена серьга со штифтом, на котором подвижно закреплена тяга, вторым своим концом прикрепленная к эксцентрику, насаженному на вал сервоэлектродвигателя зенитального слежения, закрепленного на поворотном столе. Клеммы сервоэлектродвигателей присоединены через усилители к блоку автоматического управления, ко входу которого присоединены выходы датчиков измерения освещенности, причем к блоку автоматического управления подключен микропроцессор. Для повышения коэффициента заполнения верхней панели концентраторами солнечного излучения (линзами) в пространствах между ними размещены линзы меньшего диаметра.

На фиг. 1 показан солнечный нагреватель, общий вид; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2.

Солнечный нагреватель 1 состоит из корпуса 2, в который встроена герметичная емкость 3 из корррозионно-стойкого материала, по внешней поверхности 4 которой закреплены теплоприемные площадки 5, выполненные как одно целое с ребристыми теплообменниками 6, погруженными в рабочее тело, заполняющее вязкость 3 по напорному трубопроводу 7, расположенному в нижней части. В верхней части емкости 3 расположен отводящий трубопровод 8. На каждую теплоприемную площадку 5 сориентирована солнечная ячейка, состоящая по крайней мере из одной концентрирующей линзы 9, закрепленной в гнездах 15 верхней панели 14. ПО дну 16 и боковым граням емкость 3 теплоизолирована материалом 18, например пенопластом. К боковым граням прикреплены штифты 19, которыми корпус 2 опирается на стойки 20, закрепленные на поворотном столе 21, установленном на фланце 22 азимутального сервоэлектродвигателя 23. На поворотном столе 21 закреплен зенитальный сервоэлектродвигатель 24, на валу 25 которого закреплен эксцентрик 26, к штифту 27 которого подвижно прикреплена тяга 28, вторым концом закрепленная на штифте 29 серьги 30, прикрепленной к корпусу 2. На напорный 7 и отводящий 8 трубопроводы надеты герметично гибкие подводы 31 и 32 рабочего тела - воды или хладона. Последний может применяться в малосолнечный период. В верхней части корпуса 2 закреплен датчик освещенности 23, выполненный на фотодиоде, с отводящими токопроводами 34. Система автоматического слежения 35 содержит неподвижный датчик солнечной освещенности 36, токовыводы 37 которого подключены к блоку автоматического управления 38, ко второму входу которого подключен управляющий микропроцессор 39, а к третьему входу - датчик освещенности 33, а токопроводы 40 от выхода блока управления 38 через усилитель 41 подключены к азимутальному сервоэлектродвигателю 23, а токопроводы 42 от выхода блока управления 39 через усилитель 43 подключены к зенитальному сервоэлектродвигателю 24.

В гнездах 15 верхней панели 14, закреплены линзы 9 большого диаметра, а в гнездах 44 - линзы 45 малого диаметра, которые повышают использование панели за счет увеличения ее активной площади.

Теплообменник 6 с теплоотдающими ребрами 46 и теплоприемной площадкой 5, на которой сконцентрированы солнечные лучи, усиленные линзами 9, может быть изготовлен из луженой меди или латуни, или бронзы.

В корпусе 48 многолинзового объектива 47 закреплены концентрирующие линзы 9 и 10 (по крайней мере две) и рассеивающая линза 11, распределяющая солнечный поток равномерно по теплоприемной площадке 5. Линзы 9 закреплены в корпусе 48 с помощью накидных гаек 49, а сам корпус 48 закреплен в панели 50 из теплоизолятора, а между ней и емкостью 3 и ней и верхней панелью 14 размещены теплоизолирующие элементы 51 и 52.

Солнечный нагреватель 1 работает следующим образом.

Солнечные лучи, падая на верхнюю панель 14, попадают на линзы 9, в которых они концентрируются, усиливая поток солнечной радиации в 10-15 раз при одиночных линзах 9 и в 30-50 раз в объективах с каскадом линз 9, 10 и 11, и попадают на теплоприемные площадки 5, нагревая их и ребристые теплообменники 6, тепло от которых передается рабочему телу: воде, хладону, которые нагреваются и отводному трубопроводу 8, выходит во внешнюю систему теплоснабжения, в которой рабочее тело отдает свое тепло и по напорному трубопроводу 7 поступает охлажденным в емкость 3 для следующего цикла подогрева.

Система слежения 35 осуществляет слежение поворотом верхней панели 14 по азимутально-зенитальному ходу солнца с помощью датчиков освещенности 33 и 36, сигналы которых сравниваются в блоке автоматического управления 38 с помощью микропроцессора 39. Коррекция положения в азимутальном направлении осуществляется через усилитель 41, запускающему импульсом напряжения сервоэлектродвигатель 23, поворачивающий корпус 2 на некоторый угол с помощью поворотного стола 21, соединенного жестко с сервоэлектродвигателем 23. Зенитальное слежение осуществляется через усилитель 43, подающему импульс напряжения, приводящий вал 25 сервоэлектродвигателя 24 в движение, которое вращает эксцентрик 26, перемещающий тягу 28, которая изменяет угол наклона корпуса 2 солнечного нагревателя 1 так, чтобы солнечные лучи падали перпендикулярно к направлению солнечных лучей.

Изобретение обладает преимуществами по сравнению с прототипом.

Выполнение гидравлического тракта с меньшим сопротивлением позволяет уменьшить мощность циркуляционного насоса. Выполнение линз сухими позволяет повысить надежность нагревателя, предотвращая рециркуляцию пара в объем линз и возможное их растрескивание. Выполнение объектива с набором концентрирующих линз позволяет повысить эффективность нагревателя за счет увеличения результирующего теплового потока, воспринимаемого теплоприемными площадками как за счет увеличения его концентрации, так и за счет увеличения площади восприятия сконцентрированной солнечной радиации. Система азимутального слежения за солнцем позволяет повысить эффективность нагревателя на 10-15% , что увеличивает его теплоэнерговыработку. Система азимутального слежения за солнцем позволяет повысить эффективность нагревателя на 12-17% , что повышает теплоэнерговыработку нагревателя. Применение линзовых объективов позволяет при высокой солнечной активности получать не только горячую воду, но и пар, что расширяет пределы применения солнечного нагревателя.

Изобретение может быть использовано в качестве генератора тепла в системах теплоснабжения жилых домов и небольших энергосиловых и технологических объектов.

Сущность изобретения: в солнечном нагревателе, оборудованном системами слежения за солнцем, верхняя панель оборудована линзовыми концентраторами. В корпусе нагревателя установлены сотовые элементы, имеющие наклонные стенки, между которыми размещены площадки из жаропрочного материала, служащие приемными элементами. Зазор между сотовыми элементами и дном корпуса заполнен текучей рабочей средой. Концентраторы выполнены в виде двух собирающих и одной рассеивающей линзы. Приемные элементы выполнены с радиаторами. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. СОЛНЕЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий корпус, установленный наклонно с возможностью слежения в азимутальной и зенитальной плоскостях с помощью поворотных устройств, с электродвигателями которых соединены токопроводами через блоки систем преобразования сигнала датчики слежения, верхняя прямоугольная панель корпуса выполнена перфорированной с установленными в отверстиях концентраторами в виде оптических линз, фокусирующих солнечное излучение на приемных элементах, при этом поворотное устройство для азимутального слежения выполнено в виде поворотной круглой панели, корпус установлен на последней при помощи по меньшей мере одной стойки, к которой он прикреплен подвижно посредством штифта, входящего в отверстие стойки, отличающийся тем, что в корпусе между верхней панелью и дном установлены сотовые элементы, имеющие наклонные стенки, между которыми размещены площадки из жарокоррозионно-стойкого материала, служащие приемными элементами, причем зазор между сотовыми элементами и дном корпуса заполнен рабочей средой и снабжен напорным и сливным патрубками, поворотное устройство для зенитального слежения выполнено в виде прикрепленного к нижнему краю корпуса держателя с цилиндрическим штифтом с прикрепленной к нему одним концом тягой, другой конец которой закреплен на штифте эксцентрика, установленного на валу электродвигателя устройства для зенитального слежения. 2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что каждый концентратор выполнен в виде системы линз - двух собирающих и одной рассеивающей. 3. Нагреватель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что приемные элементы выполнены с радиаторами, расположенными в рабочей среде. 4. Нагреватель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что поворотная панель выполнена из пластмассы.