СОЛНЕЧНАЯ ПАНЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F24J2/50 

Изобретение относится к области гелиотехники и может быть использовано как средство обогрева теплиц, зданий и сооружений, например, сушилок сельскохозяйственной продукции.

Наиболее близкой к изобретению является солнечная панель, содержащая размещенные в корпусе с зазором между ними два прозрачных экрана, первый из которых сориентирован к Солнцу, а на поверхности второго нанесено селективное светопрозрачное покрытие с малой степенью черноты (авт. св. СССР N 918708, F 24 J 2/50, 1982).

Недостатком известной панели является малоэффективная тепловая защита и в итоге незначительное использование солнечной энергии.

Для устранения указанных недостатков в солнечной панели, содержащей размещенные в корпусе два прозрачных установленных с зазором экрана, первый из которых сориентирован к Солнцу, на поверхности второго экрана нанесено селективное светопрозрачное покрытие с малой степенью черноты, светопрозрачное покрытие расположено на поверхности второго экрана, обращенной к первому экрану, а зазор между экранами определен из соотношения
δ = 0,10 - 0,11 F/П,
где F - площадь светоприемной поверхности панели, м²;
П - периметр светоприемной поверхности панели, м.

Предлагаемое устройство - солнечная панель (СП), пропуская солнечный поток к объекту обогрева, является в то же время хорошим теплоизолятором, так как оптимальный воздушный зазор между экранами и малая степень черноты селективного светопрозрачного покрытия на внутреннем экране обеспечивают минимальные тепловые потери от объекта обогрева через СП в окружающую среду.

Селективное светопрозрачное покрытие представляет собой тончайшую просветленную металлическую пленку, наносимую на поверхность светопрозрачного экрана (Колтун М. М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. - М.: Наука, 1979, с. 171-178).

В частности, стеклянные экраны с пленками ZnS + Ag + ZnS и ZnS + Cu + ZnS имеют при светопропускании D_s = 0,63 - 0,68 степень черноты E = 0,06 - 0,1. При покрытии этих пленок светопрозрачным лаком на основе фторсополимеров (с целью защиты пленок от внешних воздействий) степень черноты может увеличиваться до 0,2.

В предложенном устройстве для максимального пропускания солнечной энергии к объекту обогрева (и, следовательно, для максимального поглощения этим объектом солнечного излучения) следует иметь как можно больший коэффициент светопропускания D_s селективного покрытия, а для сокращения до минимума потерь тепловой энергии (которые происходят излучением) и наиболее эффективного использования СП в качестве теплоизоляции обогреваемого объекта необходимо использовать селективное покрытие с минимальной степенью черноты E. То есть имеет смысл использовать селективное покрытие с максимальным отношением D_s/E при максимальном значении D_s.

Так как экран с селективным покрытием поглощает порядка 20% солнечной энергии, то его в СП с двумя прозрачными экранами надо устанавливать вторым по ходу солнечного потока, чтобы использовать поглощенную солнечную энергию для повышения температуры этого экрана и создания, таким образом, барьера для уменьшения теплопотерь от обогреваемого объекта.

На внешнем (первом) экране селективное покрытие наносить нецелесообразно, так как в этом случае поглощенная внешним экраном солнечная энергия будет с минимальным термическим сопротивлением отдаваться окружающей среде, т.е. практически теряться.

Селективное покрытие более рационально размещать на втором экране (ближнем к обогреваемому объекту) на поверхности, обращенной к первому экрану при оптимальной величине зазора между экранами.

Это объясняется тем, что, во-первых, селективное покрытие надо защитить при транспортировании, хранении, монтаже и при эксплуатации СП на обогреваемом объекте, исключив возможность контакта покрытия со средой объекта. Во-вторых, при таком расположении селективного покрытия термическое сопротивление конвекции зазора между экранами будет больше термического сопротивления конвекции зазора между обогреваемым объектом и вторым (внутренним) экраном, так как при установке предлагаемой СП на стены зданий или сооружений зазор между вторым экраном и стеной меньше зазора между экранами (это необходимо для исключения значительных теплопотерь через боковую поверхность СП).

В случае установки СП в теплицах или чердаках термическое сопротивление конвекции зазора между экранами также будет больше термического сопротивления конвекции между обогреваемым объектом и вторым экраном, несмотря на то, что величина зазора между обогреваемым объектом и вторым экраном, как правило, значительно больше зазора между экранами. Это объясняется наличием развитой поверхности обогреваемого объекта (например, значительной листовой поверхностью растений теплицы), что приводит к повышенной теплоотдаче конвекций от объекта и к снижению за счет этого термического сопротивления между объектами и вторым экраном.

Оптимальная величина зазора между экранами определена с учетом условия обеспечения минимальных потерь теплового потока от обогреваемого объекта через СП.

Потери теплового потока от второго экрана с селективным покрытием осуществляются излучением и конвекцией воздуха к первому экрану и к боковой поверхности корпуса СП. При этом принимая температуру внешнего экрана и стенок корпуса между экранами одинаковой, зависимостью потерь теплового потока излучением от величины зазора можно пренебречь.

Так как площадь поверхности экрана с селективным покрытием, передающая тепловой поток к стенкам корпуса (и зависящая от теплопроводности экрана), не может выйти за пределы диапазона от нуля до площади поверхности корпуса между экранами, то длина пути теплового потока от экрана с селективным покрытием до середины стенки корпуса между экранами не выходит за пределы от δ /2 до δ /1,3 где δ - величина зазора между экранами.

С увеличением зазора величина теплового потока, передаваемого между экранами, уменьшается, а между экраном с селективным покрытием и стенкой корпуса растет за счет увеличения площади стенки корпуса.

Тепловой поток, уходящий конвекцией от экрана с селективным покрытием через внешнюю поверхность СП (через внешний экран и корпус между экранами) в окружающую среду, можно записать в виде

где Q - тепловой поток, Вт;
A - коэффициент пропорциональности, Вт/м^1,9;
F - площадь светоприемной поверхности СП, м²;
δ - зазор между экранами, м,
П - периметр светоприемной поверхности панели, м;
Z - коэффициент, учитывающий размер зазора и равный 1,3 или 2.

После дифференцирования (1) по δ и приравнивания результата к нулю получено уравнение для нахождения оптимальной величины зазора δ (в данном случае оптимум - минимум функции Q)

Подставляя в (2) значение Z, получаем следующее выражение для определения величины оптимального зазора:
δ = 0,10....0,11F/П. (3)
Предложенная солнечная панель показана на чертеже.

Солнечная панель содержит корпус 1, внешний прозрачный 2 и внутренний 3 экраны, причем последний с селективным покрытием 4, обращенным навстречу солнечному потоку. Экраны расположены друг относительно друга на расстоянии δ.

Работа солнечной панели происходит следующим образом.

Солнечный тепловой поток проходит через прозрачные экраны 2 и 3 к обогреваемому объекту. Экран 3 с селективным покрытием частично поглощает солнечный тепловой поток, за счет этого температура его повышается и тем самым сокращается тепловой поток от обогреваемого объекта к панели из-за уменьшения разности температур между ними.

Зазор выбран оптимальным с позиции уменьшения тепловых потерь конвекцией, что в сочетании с малой степенью черноты селективного покрытия 4 делает его (зазор) барьером для прохождения теплового потока от экрана 3 с селективным покрытием к внешнему экрану 2 и корпусу 1 между экранами 2, 3 и далее в окружающую среду.

Таким образом, представленная солнечная панель эффективно функционирует, пропуская солнечный тепловой поток к обогреваемому объекту и запирая уходящий от объекта тепловой поток.

Положительный эффект предложенного устройства заключается в большей доле использования объектом обогрева солнечной энергии, сохраненной за счет сокращения тепловых потерь от объекта через солнечную панель в окружающую среду.

Дополнительное преимущество изобретения по сравнению с прототипом заключается в том, что в пасмурные и дождливые дни, когда солнечный тепловой поток мал, предложенное устройство, обладая лучшими теплоизоляционными свойствами, сокращает потери теплового потока от обогреваемого объекта.

Результаты проведенного оценочного расчета для прототипа и предложенной СП с селективным покрытием, имеющим коэффициент светопропускания 0,6 и степень черноты 0,2 (достаточно посредственное покрытие), установленных на расположенной на широте 45^o теплице для холодных зимних месяцев, показывают, что изобретение по сравнению с прототипом экономит в среднем тепловой поток плотностью 33 Вт/м². Следует отметить, что при использовании селективного покрытия со значением коэффициента светопропускания, большим 0,6 и степенью черноты меньшей 0,2, положительный эффект будет еще выше.

Изобретение относится к области гелиотехники и может быть использовано для обогрева теплиц, зданий и сооружений, например, сушилок сельскохозяйственной продукции. Солнечная панель содержит два прозрачных экрана и корпус. Внутренний, обращенный к объекту обогрева экран имеет селективное светопрозрачное покрытие с малой степенью черноты, причем для улучшения тепловой защиты объекта экраны солнечной панели расположены друг относительно друга на оптимальном расстоянии, а селективное светопрозрачное покрытие нанесено на внутренний экран со стороны, обращенной к внешнему экрану. 1 ил.

Солнечная панель, содержащая размещенные в корпусе с зазором между ними два прозрачных экрана, первый из которых сориентирован к Солнцу, а на поверхности второго нанесено селективное светопрозрачное покрытие с малой степенью черноты, отличающаяся тем, что селективное покрытие расположено на поверхности второго экрана, обращенной к первому экрану, а зазор между экранами определен из соотношения
δ = 0,10 - 0,11 F/П,
где F - площадь светоприемной поверхности панели, м²;
П - периметр светоприемной поверхности панели, м.