КОЛЛЕКТОР СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК F24J2/24 

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

В настоящее время проблема использования экологически чистых, доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди таких источников энергии занимает солнечная энергия. Коллекторы солнечной энергии с поглотителем, образованным наложением друг на друга пластин из тонколистового материала, используемые в настоящее время для преобразования солнечной энергии в тепловую (для нагрева теплоносителя), являются недостаточно эффективными вследствие ряда причин.

Наиболее близким по техническим причинам (прототипом) является коллектор солнечной энергии, содержащий корпус из теплоизолирующего материала с прозрачным покрытием из двух слоев стекла, образующим полость, и установленный в последней поглотитель, выполненный в виде проточных каналов, сообщенных с двух сторон со сборными зигзагообразной формы трубопроводами с подключенными к их вершинам по два выходными патрубками, при этом каналы и трубопроводы образованы наложением друг на друга двух пластин из тонколистового материала, скрепленных по периметру и между каналами, причем между пластинами в промежутках между каналами выполнены наклонные к их осям перепускные каналы, имеющие диаметр, равный диаметру проточных каналов (патент СССР N 2000525, кл. F 24 J 2/24, 1993).

Однако известное техническое решение является недостаточно эффективным в результате низкого использования полезной площади поглотителя и теплоизолирующих свойств корпуса. Кроме того, в коллекторе невозможно использовать покрытие с температурой плавления меньше температуры нагрева поглотителя или стенок корпуса в связи с возможностью его оплавления в результате перегрева и, как следствие, делает необходимым использование жестких с высокой температурой плавления дорогостоящих покрытий. Коллектор является дорогостоящим и конструкционно и технологически сложным в исполнении как поглотителя, так и корпуса.

Новым достигаемым технологическим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности коллектора путем повышения его теплоизолирующих свойств и технологичности изготовления.

Новый технический результат достигается тем, что в известный коллектор солнечной энергии, содержащий корпус с теплоизолирующим основанием и прозрачным покрытием, образующим пакет, и установленный в последней поглотитель, выполненный в виде проточных каналов, сообщенных с двух сторон со сборными зигзагообразными трубопроводами с подключенными к их вершинам входным и выходным патрубкам, при этом каналы и трубопроводы образованы наложением друг на друга пластин из тонколистового материала, скрепленных по периметру и между каналами, в отличии от прототипа, введены теплоизолирующие прокладки, поглотитель выполнен коробчатой формы, при этом теплоизолирующие прокладки установлены на соответствующих кромках боковых стенок поглотителя и корпуса, прозрачное покрытие выполнено гибким и размещено на теплоизолирующих прокладках, а теплоизолирующее основание выполнено с лицевой отражающей поверхностью.

Неплотности корпуса и поглотителя могут быть герметизированы мастикой или клеевыми соединениями.

Теплоизолирующее основание с лицевой отражающей поверхностью может быть выполнено из туристского коврика "каримат".

Теплоизолирующее основание может быть соединено с основанием поглотителя с образованием воздушного зазора между ними.

Гибкое прозрачное покрытие может быть выполнено в виде пакета, натянутого на корпус с образованием воздушного зазора с тыльной поверхностью теплоизолирующего основания.

Покрытие может быть выполнено армированным.

Боковые стенки поглотителя могут быть соединены с соответствующей стенкой корпуса с образованием воздушного зазора между ними.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого коллектора солнечной энергии.

Коллектор солнечной энергии содержит корпус 1 с теплоизолирующим основанием 2, выполненным с лицевой отражающей поверхностью 3, и с гибким прозрачным армированным стяжками 4 покрытием 5, выполненным в виде пакета, натянутого на корпус 1, с использованием теплоизолирующих прокладок 6, установленных на соответствующих кромках боковых стенок 7, 8 корпуса 1 и поглотителя 9, при этом покрытие 5 образует полость 10 и воздушный зазор 11 с тыльной поверхностью 12 теплоизолирующего основания 2, и установленный в полости 10 поглотитель 9 коробчатой формы, выполненный в виде проточных каналов 13, сообщенных с двух сторон со сборными зигзагообразными трубопроводами 14 с подключенными к их вершинам входным и выходным патрубками 15, причем каналы 13 и трубопроводы 14 образованы наложением друг на друга пластин 16 из тонколистового материала, склеенных по периметру и между каналами 13. Боковые стенки поглотителя могут быть соединены с соответствующей стенкой 7 корпуса 1 с образованием воздушного зазора 17 между ними, а лицевая отражающая поверхность 3 теплоизолирующего основания 2 с основанием поглотителя 9 с образованием воздушного зазора 18 между ними. Неплотности корпуса герметизированы мастикой (или компаундом) 19.

Коллектор солнечной энергии работает следующим образом.

Теплоноситель, например воду, подают через входной патрубок 15 в сборный трубопровод 14, зигзагообразная форма которого обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по каналам 13, в том числе и по периферии, что особенно существенно при естественной циркуляции теплоносителя. Далее теплоноситель проходит через проточные каналы 13, где отбирают тепло от пластин 16 поглотителя 9, имеющих поглощающее покрытие, воспринимающее солнечное излучение, падающее на поглотитель 9 через прозрачное покрытие 5, например, из полиэтилена.

В качестве поглотителя 9 используют, например, адсорбер типа труба в листе, в котором используется ряд параллельных труб диаметром 12-15 мм на расстоянии 50-150 мм друг от друга. Формообразование труб (каналов 13) осуществляют следующим образом. На пластинах 16 из тонколистового материала, например алюминия или его сплавов, намечают режущим инструментом ход каналов 13, трубопроводов 14 и патрубков 15. После чего накладывают пластины 16 друг на друга намеченными сторонами и прикатывают, скрепляя их. Затем образованный пакет из алюминия или его сплава раздувают сжатым воздухом по намеченным линиям, получая каналы 13, трубопроводы 14 и патрубки 15 требуемого диаметра. Применение такой технологии формообразования каналов 13, трубопроводов 14 и патрубков 15 делает невозможным наличие перепускных каналов и дополнительных патрубков 15 (по два с каждой стороны), как в прототипе, а также расположение параллельных каналов 13 ближе чем 50 мм друг к другу. Это связано с тем, что при раздуве увеличение площади каналов 13 и трубопроводов 14 за счет материала с прессованных пластин 16 может привести к их перекосу и всего поглотителя 9.

После чего входной и выходной патрубки 15 присоединяют преимущественно мастикой или клеевыми соединениями (типа компаунда) 19 к гидравлическим коллекторам.

Омывающий каналы 13 поглотителя 9 теплоноситель нагревается и расходуется на различные бытовые и технические нужды.

Тепловая эффективность коллектора увеличивается за счет:
коробчатой формы поглотителя 9, обеспечивающего большую полезную площадь приема солнечной энергии поглотителем 9 благодаря поверхности его стенок 8 и, как следствие, возможности попадания на последние солнечной энергии наиболее эффективным образом (близким к нормали) при нахождении Солнца под небольшим углом к горизонту, например, на закате;
наличия лицевой отражающей поверхности 3 у теплоизолирующего основания 2, преимущественно из туристского коврика "каримат" г. Ижевск, обеспечивающего переотражение более чем на 96% ИК-излучения от поглотителя 9 обратно к нему;
наличия дополнительных воздушных зазоров 11, 18, обеспечивающих сохранение тепла в поглотителе 9, вместе с теплоизолирующим основанием 2 с лицевой отражающей поверхности 3.

Наличие воздушного зазора 17 между стенками 7, 8 корпуса 1 и поглотителя 9, как и наличие и самих стенок 8 (коробчатых) поглотителя 9, позволяет отказаться от использования стенок 7 корпуса из теплоизолирующего материала, а далее возможным их выполнение из алюминия, что не увеличивает габариты коллектора при введении дополнительных стенок 8 поглотителя при сохранении теплоизоляционных свойств боковых участков коллектора. Все вышеуказанное позволяет повысить эффективность коллектора, его КПД не менее, чем по 10% увеличивая при равных внешних условиях температуру подогрева теплоносителя.

Кроме того, боковые стенки 8 поглотителя 9 обеспечивают вместе с теплоизолирующим покрытием 6 армирование (создавая опору) гибкому прозрачному покрытию 5, что повышает прочность и надежность последнего, и, соответственно, устраняет необходимость дополнительного армирования стяжками 4 или снижает необходимое количество стяжек 4, выполненных, например, в виде каркаса, сетки и т.п.

Наличие на кромках стенок 7, 8 корпуса 1 и поглотителя 9 теплоизолирующих прокладок 5, как и воздушный зазор 17 между ними, обеспечивает возможность использования в качестве гибкого прозрачного покрытия 5 материала с температурой плавления ниже, чем максимальная температура нагрева (до 130^oC) поглотителя 6, например формальдегидной пленки с температурой размягчения 125^oC и т.п.

Точно также воздушный зазор 18 между теплоизолирующим основанием 2 и основанием поглотителя 9 позволяет использовать теплоизолирующее основание 2 из материала с температурой плавления более низкой, чем максимальная температура нагревания поглотителя 6 (130^oC), например, из пенополиуретана, обладающего пониженной температуростойкостью до 120^oC или пенополистирола до 60^oC и т.п.

Все это, в совокупности, позволяет повысить надежность, эффективность и технологичность предлагаемого коллектора при одновременной возможности использования более доступных, дешевых и менее термостойких материалов в качестве теплоизолирующего основания 2 и гибкого покрытия 5.

Использование по прототипу пенополиуретанового корпуса (даже, если бы это было возможно конструктивно) не позволяет нагревать поглотитель до температуры большей, чем до 120^oC (у предлагаемого коллектора до 130^oC), а также термостойкого двойного покрытия из стекла, делает прототип менее эффективным и более дорогостоящим.

Применение гибкого прозрачного покрытия 5 в виде пакета позволяет натягивать его как "чулок" на корпус 1 и теплоизолирующие прокладки 6, отказываясь, при этом, от необходимости крепления покрытия 5, упрощая, тем самым, технологию изготовления коллектора. На свету натянутое на коллектор покрытие 5 "садится" и с натягом облегает коллектор.

Использование для герметизации неплотностей корпуса 1 и поглотителя 9 мастики или клеевых соединений (19) позволяет увеличить срок службы коллектора благодаря отсутствию коррозии в тех местах при использовании сварных соединений для устранения неплотностей.

На основании вышеуказанного заявляемое соединение имеет следующий достигаемый технический результат.

1. Повышение эффективности коллектора путем повышения его теплоизолированных свойств и использования теплоносителя коробчатой формы не менее чем на 10%
2. Повышение технологичности изготовления не менее чем на 10% за счет использования покрытия в виде пакета и поглотителя без перепускных каналов, благодаря возможности его изготовления методом раздува прокатанных листов с намеченными линиями каналов, трубопроводов и патрубков.

3. Расширение ассортимента и удешевления материалов, используемых для покрытия и теплоизоляции за счет материалов с более низкой температурой плавления.

4. Повышение коррозионной стойкости коллектора за счет использования для герметизации неплотностей сварных соединений, а использования мастики и клеевых соединений, перепускных каналов и дополнительных входных и выходных патрубков при повышении эффективности нагрева теплоносителя.

В настоящее время на предприятии ГП "НПО Астрофизика" выпущена конструкторская документация на заявляемый коллектор солнечной энергии, на основании которой были созданы мелкосерийные образцы полезной модели коллектора солнечной энергии.

Использование: для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения. Сущность: коллектор солнечной энергии, содержащий корпус с теплоизолирующим основанием и прозрачным покрытием, образующим полость, и установленный в последней поглотитель, выполненный в виде проточных каналов, сообщенных с двух сторон со сборными зигзагообразными трубопроводами с подключенными к их вершинам входным и выходным патрубками, при этом каналы и трубопроводы образованы наложением друг на друга пластин из тонколистового материала, скрепленных по периметру и между каналами, введены теплоизолирующие прокладки, поглотитель выполнен в форме короба, при этом теплоизолирующие прокладки установлены на смежных кромках боковых стенках поглотителя и корпуса, прозрачное покрытие выполнено гибким и размещено на теплоизолирующих прокладках, теплоизолирующее основание выполнено с лицевой отражающей поверхностью. Неплотности корпуса и поглотителя могут быть герметизированы мастикой или клеевыми соединениями. Теплоизолирующее основание с лицевой отражающей поверхностью может быть выполнено из туристского коврика "каримат". Теплоизолирующее основание может быть соединено с основанием поглотителя с образованием воздушного зазора между ними. Гибкое прозрачное покрытие может быть выполнено в виде пакета, натянутого на корпус с образованием воздушного зазора с тыльной поверхностью теплоизолирующего основания. Покрытие может быть выполнено армированным. Боковые стенки поглотителя могут быть соединены с соответствующей стенкой корпуса с образованием воздушного зазора между ними. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Коллектор солнечной энергии, содержащий корпус с теплоизолирующим основанием и прозрачным покрытием, образующим полость, и установленный в последней поглотитель, выполненный в виде проточных каналов, сообщенных с двух сторон со сборными зигзагообразными трубопроводами и подключенными к их вершинам входным и выходным патрубками, при этом каналы и трубопроводы образованы наложением друг на друга пластин из тонколистового материала, скрепленных по периметру и между каналами, отличающийся тем, что в него введены теплоизолирующие прокладки, а поглотитель выполнен в форме короба, при этом теплоизолирующие прокладки установлены на смежных кромках боковых стенок поглотителя и корпуса, прозрачное покрытие выполнено гибким и размещено на теплоизолирующих прокладках, теплоизолирующее основание выполнено с лицевой отражающей поверхностью. 2. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что неплотности корпуса и поглотителя герметизированы мастикой или клеевыми соединениями. 3. Коллектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что теплоизолирующее основание с лицевой отражающей поверхностью выполнено из туристского коврика "каримат". 4. Коллектор по пп.1 3, отличающийся тем, что теплоизолирующее основание соединено с основанием поглотителя с образованием воздушного зазора между ними. 5. Коллектор по пп.1 4, отличающийся тем, что гибкое прозрачное покрытие выполнено в виде пакета, натянутого на корпус с образованием воздушного зазора с тыльной поверхностью теплоизолирующего основания. 6. Коллектор по пп.1 5, отличающийся тем, что покрытие выполнено армированным. 7. Коллектор по пп.1 6, отличающийся тем, что боковые стенки поглотителя соединены с соответствующей стенкой корпуса с образованием воздушного зазора между ними.