АККУМУЛЯТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1995 года по МПК F24J2/34 

Изобретение относится к теплотехнике, касается аккумуляторов солнечной энергии и может найти применение для нагревания и сохранения больших объемов воды при высокой температуре в условиях умеренного и холодного климата.

Известно устройство для нагревания и сохранения воды при высокой температуре в виде утепленного цилиндрического резервуара с теплообменными трубами, в которых циркуляция нагретого теплоносителя осуществляется искусственным путем [1].

Недостатком устройства является невозможность нагревания воды без затрат электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является резервуар, включающий центральный вертикальный канал, сообщающийся с радиальными и периферийными каналами, поглощающее покрытие на облучаемых солнцем поверхностях каналов и резервуара [2].

Недостатками устройства для аккумулирования солнечной энергии являются низкая теплопроводность и невозможность использования аккумулятора солнечной энергии в условиях холодного климата.

Цель изобретения состоит в повышении теплопроизводительности аккумулятора солнечной энергии.

Цель достигается тем, что радиальные каналы расположены в горизонтальных плоскостях на дне и под крышей резервуара, последний заполнен теплоносителем и снабжен прозрачной герметичной оболочкой, образующей со стенкой резервуара воздушную полость, в которой вертикально размещены периферийные каналы по числу радиальных, а под днищем и над крышей резервуара размещены радиально брусья, образующие каналы, сообщенные с воздушной прослойкой.

На фиг. 1 показано устройство для аккумулирования солнечной энергии в виде вертикального цилиндрического резервуара в разрезе; на фиг.2 - трубчатая система для нагревания воды из сообщающихся центральной, вертикальных периферийных и горизонтальных труб, вид сверху; на фиг.3 в плане показано расположение балочных элементов под днищем и над крышей резервуара.

Аккумулятор солнечной энергии представляет собой цилиндрический резервуар, который включает корпус 1, крышу 2, днище 3, центральную вертикальную трубу 4, периферийные вертикальные трубы 5, нижние и верхние горизонтальные трубы 6, 7, деревянные элементы 8 и прозрачную герметичную оболочку 9.

Аккумулятор солнечной энергии изготавливают следующим образом. На поверхность спланированного грунта укладывают жесткое покрытие 10 из железобетонных плит, на которых располагают радиально деревянные элементы 8 в днище брусьев неодинаковой длины. На элементы 8 укладывают днище 3, устанавливают корпус 1, закрепляют центральную трубу 4 и крышу 2, на которой размещают элементы 8 также в радиальном направлении. Элементы 8 закрепляют между собой под днищем 3 и над крышей 2 металлической проволокой для сохранения балочной системы из брусьев необходимой жесткости при проведении монтажных работ. Трубу 4 соединяют сваркой с горизонтальными трубами 6, 7 и вертикальными периферийными трубами 5, которые располагают за корпусом 1 резервуара.

После выполнения монтажных работ на поверхность резервуара и периферийные трубы 5, обращенные к солнцу, наносят поглощающее покрытие в виде черной краски. Затем резервуар заключают в герметичную оболочку 9 из полимерной прозрачной пленки, концы которой закрепляют в нижней части резервуара с помощью цементной стяжки 11 или другим известным способом. Трубчатую систему испытывают на плотность, после чего систему из труб и полость резервуара заполняют теплоносителем, например водой. Резервуар с прозрачной оболочкой 9 аккумулирует тепло от солнечной энергии, поэтому в условиях холодного климата в Арктике, где количество солнечных дней недостаточно и достигает 100-120, внешнюю поверхность резервуара покрывают теплоизолирующим материалом расчетной толщины. Нагревание теплоносителя 12 в вертикальных трубах 5 и в резервуаре осуществляется от солнечных лучей, которые свободно проникают через прозрачную оболочку 9 на их поверхность с темным поглощающим покрытием.

Процесс нагревания воды и аккумулирования тепла в резервуаре осуществляется от солнечной энергии. Солнечные лучи нагревают одну половину поверхности резервуара, в то время как противоположная половина, находящаяся в тени, остается холодной. Одностороннее и неравномерное нагревание поверхности резервуара приводит к появлению горизонтального и вертикального градиентов температур теплоносителя 12, т.е. к возникновению естественной циркуляции теплоносителя. Теплоноситель у поверхности резервуара, нагреваясь, приобретает меньшую плотность, поднимается вверх, движется в противоположную сторону к холодной поверхности, где вода, охлаждаясь, опускается вниз к днищу 3, а от него поступает к солнечной стороне резервуара. Поскольку солнце движется одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях, поэтому циркуляция теплоносителя в резервуаре осуществляется по сложной траектории. Одновременно теплоноситель нагревается в вертикальных и горизонтальных трубах 4-7. Нагретый в трубах 5 теплоноситель поднимается вверх, поступает в верхние горизонтальные трубы 7, отдает тепло теплоносителю в резервуаре и с более низкой температурой перемещается в центральную трубу 4. В трубе 4 теплоноситель охлаждается и передает тепло в резервуар, поступает в нижние горизонтальные трубы 6, в которых поток теплоносителя распределяется равномерно. Однако скорость циркуляции теплоносителя в трубах с солнечной стороны резервуара происходит более интенсивно, чем в теневой, поскольку разность температур теплоносителя в трубах 5 и в трубе 4 больше, чем в трубах, размещенных на теневой стороне резервуара. Одновременно с нагреванием теплоносителя 12 начинается циркуляция воздуха в воздушном пространстве между оболочкой 9, корпусом 1, днищем 3 и крышей 2 резервуара. Неподвижный воздух нагревается под оболочкой 9 на солнечной стороне резервуара, поднимается вверх, поступает в каналы 13 на крыше 2. В каналах 13 воздух прогревается до более высокой температуры от затемненной поверхности крыши 2 и поступает в воздушное пространство на противоположной стороне резервуара, где нагретый воздух отдает тепло через оболочку 9 в атмосферу и через поверхность корпуса 1 - теплоносителю 12, охлаждается. Охлажденный воздух поступает в каналы, размещенные под днищем 3, после чего поднимается в воздушное пространство солнечной стороны резервуара. Циркуляция воздуха под оболочкой 9 резервуара осуществляется в воздушном пространстве под оболочкой по сложной, постоянно меняющейся в течение суток траектории. Это объясняется неравномерным нагреванием воздуха по периметру резервуара, а оно зависит от расположения солнца, интенсивности освещения и других факторов. Циркуляция воздуха в оболочке 9 происходит с высокой скоростью за счет радиального расположения элементов 8, которые изменяют сечение канала по его длине от периферии к центру.

Повышенная циркуляция нагретого воздуха в оболочке 9 с постоянно меняющейся траекторией его движения по периметру резервуара приводит к выравниванию температуры воздуха под оболочкой, поэтому циркуляция теплоносителя 12 в трубах жидкостной системы нагревания осуществляется от периферии к центру.

С отсутствием солнечной радиации циркуляция воздуха прекращается. Воздух в герметичной оболочке становится малоподвижным и начинает выполнять функцию теплоизоляционного материала экрана. Таким образом воздух в оболочке 9 служит в солнечные дни теплоносителем, а в пасмурные - теплоизолятором. Вертикальные внешние трубы 5 принимают небольшого диаметра 25-30 мм и размещают их на корпусе 1 резервуара на одинаковом расстоянии друг от друга. Небольшой диаметр труб и их размещение обеспечивают быстрое включение системы естественного нагревания теплоносителя в работу и более равномерное распределение температуры в оболочке по периметру резервуара. Деревянные элементы 8 являются ограждающими конструкциями каналов и одновременно несущими элементами, поскольку в нижней части воспринимают нагрузку от резервуара и теплоносителя, а над крышей - нагрузку от снега.

Конструкция аккумулятора солнечной энергии позволяет нагревать воду в больших объемах до высокой температуры, сохранять положительную температуру теплоносителя в течение длительного времени без затрат электрической энергии и выполнять функцию источника тепловой энергии.

Реализация аккумулятора позволяет обеспечить горячей водой объекты различного назначения и получить экономический, а также экологический и социальный эффект.

Предложенное решение может найти применение при возведении и эксплуатации объектов сельского хозяйства, строительства, теплоснабжении небольших населенных пунктов и промышленных зданий различного назначения.

Использование: для нагревания и сохранения больших объемов воды при высокой температуре в условиях умеренного и холодного климата. Сущность изобретения: радикальные каналы расположены в горизонтальных плоскостях на дне и под крышей резервуара, последний заполнен теплоносителем и снабжен прозрачной герметичной оболочкой, образующей со стенкой резервуара воздушную полость, в которой вертикально размещены периферийные каналы по числу радиальных. Под днищем и над крышей резервуара размещены радиально брусья, образующие каналы, сообщенные с воздушной прослойкой. 3 ил.

АККУМУЛЯТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ, содержащий резервуар, имеющий центральный вертикальный канал, сообщенный по теплоносителю посредством радиальных каналов с периферийными, и поглощающее покрытие на облучаемых солнцем поверхностях каналов и резервуара, отличающийся тем, что, с целью повышения теплопроизводительности, радиальные каналы расположены в горизонтальных плоскостях на днище и под крышей резервуара, последний наполнен теплоносителем и снабжен прозрачной герметичной оболочкой, образующей со стенкой резервуара воздушную полость, в которой вертикально размещены периферийные каналы по числу радиальных, под дном и над крышей резервуара размещены радиальные брусья, образующие воздушные каналы, сообщенные с воздушной прослойкой.