СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР Российский патент 2001 года по МПК F24J2/24 F24J2/50 

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано, в частности, в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева теплоносителя.

Известны солнечные коллекторы (СК), содержащие корпус в виде рамной конструкции, в верхней части которого установлено светопропускающее ограждение в виде плоского стекла. За стеклом установлена плоская теплоприемная панель с оптическим покрытием, преобразующая солнечное излучение в тепло. (См., например, Sanit+Heizungstechnik, 1977 г., т.62, 1, с.46,48,80).

Недостатком известных СК является низкая эффективность их работы в вечерние и утренние часы, когда теплоприемная панель частично затеняется непрозрачным каркасом боковых стенок рамной конструкции, а коэффициент отражения солнечных лучей поверхностью плоского стекла К значительно увеличивается при больших углах падения, что приводит к потерям энергии, рассчитываемых по формуле отражения Френеля:

где α - угол падения излучения на поверхность прозрачного тела, рад,
θ - угол преломления излучения в прозрачном материале, рад;
К - коэффициент отражения при угле падения излучения, α,отн. ед.

Известен СК, содержащий несущую обечайку в виде прямого цилиндра, светопропускающая часть которого выполнена из прозрачного материала, две торцевые крышки и теплоприемную панель, установленную внутри полости, образованной обечайкой и крышками. (См. , например, А solar panel, патент GB 2299401 А (Transolar Limited), 02.10.1996 г., 16 стр.).

Известный СК позволяет несколько уменьшить потери энергии в утренние и вечерние часы работы за счет уменьшения затенения поверхности теплоприемной панели непрозрачными элементами конструкции ограждения СК.

Основным недостатком известного СК является то, что форма светопропускающей части его оболочки не оптимизирована по размеру относительно размера максимальной стрелы прогиба образующей светопропускающей части, что приводит к снижению эффективности СК и увеличению его материалоемкости и себестоимости.

Другим недостатком известного СК являются значительные потери тепла теплопроводностью через светопропускающую часть обечайки.

Недостатком известного СК является и то, что внутренняя полость его негерметична и в ней не контролируется дневная и ночная смена атмосферы, что приводит к запылению поверхности теплоприемной панели при натекании атмосферы в полость ночью. Кроме того, негерметичность полости СК приводит к сохранению постоянной атмосферной концентрации кислорода в ней, что приводит к ускоренной деградации свойств материалов внутренней поверхности полости, взаимодействующих с кислородом, (например, материалы уплотнений, материалы оптического покрытия теплоприемной панели).

Целью настоящего изобретения является создание конструкции СК, не имеющей указанных недостатков.

Указанная цель достигается тем, что оптимизация формы светопропускающей части обечайки СК проводится из условия обеспечения постоянного угла падения солнечных лучей, проходящих через центр максимальной хорды образующей светопропускающей части обечайки, на поверхность обечайки в утренние и вечерние часы, для чего крайние правый и левый участки образующей светопропускающей части обечайки СК имеют форму, соответствующую следующим зависимостям:


где ρ - полярный радиус в полярной системе координат, полюс которой совпадает с серединой отрезка максимальной хорды образующей спетопропускающей части цилиндрической обечайки, м;
ϕ - полярный угол, рад;
γ - угол между направлением на Солнце из полюса и касательной к образующей в точке пересечения с ней луча направления на Солнце, рад;
А - половина размера максимальной хорды образующей светопропускающей части цилиндрической обечайки, м,
причем форма центральной части образующей для π-γ ≥ ϕ ≥ γ - прямая, касательная к кривым по зависимости (2) и по зависимости (3).

На фиг. 1 приведена предлагаемая форма образующей для светопропускающей части цилиндрической обечайки СК.

Светопропускающая часть 1 цилиндрической обечайки состоит из трех участков. Правый участок 2 имеет форму, соответствующую зависимости (2), левый участок 3 имеет форму, соответствующую зависимости (3), а центральный участок 4 имеет форму прямой линии касательной к участкам 2 и 3. Зависимости (2) и (3) получены из условия γ = const и поэтому участки 2 и 3 имеют постоянный коэффициент отражения для всех углов ϕ, образованных лучами, исходящими из точки 0 и проходящими через эти участки. Кривые, описываемые зависимостями (2) и (3), в точках ϕ₁= γ и ϕ₂= π-γ имеют перегиб, касательная проходит через точки перегиба и оказывается параллельной максимальной хорде 5 светопропускающей части обечайки. Угол γ¹ для всех лучей из точки 0, проходящих через участок 4, больше угла γ, который является параметром семейства кривых по зависимостям (2) и (3). На фиг.1 γ = γ₀= π/6. Отсюда коэффициент отражения солнечных лучей, попадающих в точку 0 и проходящих через участок 4 образующей, не больше, чем коэффициент отражения лучей, проходящих через участки 2 и 3 образующей и попадающих в точку 0. Т.е. предлагаемая форма образующей светопропускающей части цилиндрической обечайки обладает минимальными потерями на отражение Френеля при заданной ординате точки перегиба кривых по зависимостям (2) и (3), которая соответствует максимальной стреле прогиба образующей светопропускающей части цилиндрической обечайки Н.

Уменьшение тепловых потерь теплопроводностью через материал светопропускающей обечайки достигается тем, что вся обечайка СК в виде прямого цилиндра выполнена из панели в виде двух слоев тонкостенного прозрачного пластика, соединенных между собой продольными тонкостенными ребрами из того же материала с образованием изолированных параллельных пустотелых каналов. Причем пустотелые каналы ориентированы относительно осей цилиндрической обечайки таким образом, чтобы при рабочем положении СК их направление было перпендикулярно направлению силы тяжести, что обеспечивает наиболее эффективное подавление конвекционных тепловых потоков в каналах. Теплопроводимость двустенной структуры с полыми каналами составляет 2-3 Вт/м²К, что в 2-3 раза меньше теплопроводности сплошной стенки.

Применение двухслойных прозрачных оболочек для теплоизоляции теплоприемных панелей СК уменьшает на 9-10% поступление на панель солнечной энергии за счет ее отражения на двух дополнительных поверхностях раздела. Для уменьшения этого явления можно просветлить внешнюю и внутреннюю поверхности двухслойной обечайки путем нанесения на них слоя прозрачного материала толщиной имеющего показатель преломление n, определяемый из соотношения

где П₀ - показатель преломления внешней среды;
П₁ - показатель преломления материала обечайки;
λ₀- длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения, мкм.

В результате просветления коэффициент отражения двуслойных прозрачных оболочек может быть уменьшен на 6-7%. (См., например, пат. 2044964, MKИ F 24 J 2/48, РФ).

Уменьшение отражения солнечного излучения от двуслойных пустотелых оболочек может быть достигнуто тем, что пустотелые каналы, расположенные в светопропускающей части цилиндрической обечайки СК, герметично отделяются от их продолжения на теневой относительно излучения Солнца части обечайки и заполняются прозрачной жидкостью с показателем преломления n=1,33-1,6 при обеспечении возможности перемещения жидкости через все каналы в светопропускающей части цилиндрической обечайки. Нижнее значение показателя преломления n относится к наиболее распространенному теплоносителю - воде, а прозрачные нейтральные жидкости с показателем преломления, большим, чем n=1,6, не производятся в промышленных масштабах. Возможность перемещения жидкости через каналы в светопропускающей части цилиндрической обечайки СК дает возможность утилизировать тепло, передаваемое обечайке от теплоприемной панели, снизить потери и повысить эффективность СК. Контроль за составом атмосферы внутри полости СК и недопущение попадания в полость атмосферного кислорода, паров воды и пылевых частиц осуществляется путем герметичного исполнения полости, образованной обечайкой в виде прямого цилиндра и ее торцевыми крышками, при этом для выпуска избыточного давления газа, возникающего внутри полости при ее разогреве солнечными лучами, предусмотрен автоматический дренажный клапан, а заполнение полости при ее охлаждении в вечерние и ночные часы осуществляется через селективную мембрану, пропускающую в полость преимущественно азот из атмосферы и препятствующую попаданию в полость кислорода, паров воды и пылевых частиц из окружающей атмосферы. Через 10-15 циклов нагрев-охлаждение атмосфера внутри полости на 95-98% будет состоять из азота, что благоприятно скажется на долговременных характеристиках СК.

На фиг. 2 приведено схематическое изображение конструкции предлагаемого СК. Устройство состоит из двустенной прозрачной пластиковой обечайки 6, выполненной в виде прямого цилиндра, на торцы которого установлены торцевые крышки 11, 12, а внутри полости, образованной обечайкой 6 и крышками 11, 12, установлены теплоприемная панель 8, причем светоприемная часть образующей цилиндра содержит крайние участки 2, 3, форма которых удовлетворяет зависимостям (2) и (3), а центральный участок 4 является прямой линией, касательной к точкам перегиба крайних участков. В качестве материала для обечайки СК используются пустотелые двустенные поликарбонатные панели, имеющие внутренние тонкостенные ребра жесткости, которые образуют в панели параллельные, изолированные друг от друга пустотелые каналы 15. При гибке обечайки из панели каналы ориентируют таким образом, чтобы они были перпендикулярны продольной оси обечайки, что позволяет уменьшить конвективный теплоперенос в каналах, так как обычно продольная ось СК располагается под некоторым углом к горизонтальной плоскости. При необходимости на внешнюю и внутреннюю поверхность светопропускающей части 1 обечайки 6 наносится просветляющее покрытие толщиной материал которого имеет показатель преломления
где П₀ - показатель преломления внешней среды;
П₁ - показатель преломления материала обечайки;
λ₀- длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения, мкм.

Каналы 15 обечайки 6 на передней относительно Солнца стороне обечайки могут быть герметично отделены от их продолжения на задней теневой части обечайки и заполнены прозрачной жидкостью с показателем преломления n= 1,33-1,6 через патрубки 16 и отверстия в каждом внутреннем ребре светопропускающей части 1 цилиндрической обечайки 6. Прозрачная жидкость, например вода, может прокачиваться через оболочки с целью утилизации тепла, передаваемого ей от теплоприемной панели.

Герметичность внутренней полости СК обеспечивается манжетными уплотнениями 17 трубопроводов 7, подводящих и отводящих теплоноситель в теплоприемную панель 8, а также продольным уплотнением 9 ребер цилиндра и торцевым уплотнением 10 верхней крышки 11 и нижней крышки 12. Для предотвращения раздувания обечайки CК при прогреве газа в герметичной полости коллектора на нижней крышке 12 установлен автоматический дренажный клапан 13, выпускающий избыточное давление. Заполнение полости коллектора газом после понижения температуры в вечернее и ночное время происходит через селективную мембрану 14, установленную на крышке 12 и обеспечивающую пропускание в объем полости преимущественно азота из атмосферы и препятствующую проникновению в полость коллектора кислорода, паров воды, пылевых частиц.

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано, в частности, в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева теплоносителя. Изобретением достигается оптимизация формы светопропускающей части 1 обечайки 5 СК. Она проводится из условия обеспечения постоянного угла падения солнечных лучей, проходящих через центр максимальной хорды образующей светопропускающей части 1 обечайки, на поверхность обечайки 5 в утренние и вечерние часы, для чего крайние правый и левый участки 2 и 3 образующей светопропускающей части 1 обечайки 5 СК имеют форму, соответствующую следующим зависимостям:


где ρ - полярный радиус в полярной системе координат, полюс которой совпадает с серединой отрезка максимальной хорды образующей светопропускающей части 1 цилиндрической обечайки 5, м;
ϕ - полярный угол, рад;
γ - угол между направлением на Солнце из полюса и касательной к образующей в точке пересечения с ней луча направления на Солнце, рад;
А - половина размера максимальной хорды образующей светопропускающей части 1 цилиндрической обечайки 5, м,
причем форма центрального участка 4 образующей для π-γ≥ϕ≥γ- прямая, касательная к кривым по зависимости (2) и по зависимости (3). Уменьшение тепловых потерь теплопроводностью через материал светопропускающей обечайки 5 достигается тем, что вся обечайка 5 СК в виде прямого цилиндра выполнена из двух слоев тонкостенного прозрачного пластика, соединенных между собой продольными тонкостенными ребрами из того же материала с образованием изолированных параллельных пустотелых каналов. Причем пустотелые каналы ориентированы относительно осей цилиндрической обечайки 5 таким образом, чтобы при рабочем положении СК их направление было перпендикулярно направлению силы тяжести, что обеспечивает наиболее эффективное подавление конвекционных тепловых потоков в каналах. Теплопроводность двустенной структуры с полыми каналами составляет 2-3 Вт/м²К, что в 2-3 раза меньше теплопроводности сплошной стенки. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Солнечный коллектор, содержащий обечайку в виде прямого цилиндра, светопропускающая часть которой выполнена из прозрачного материала, две торцевые крышки, установленные на торцы цилиндра обечайки, теплоприемную панель, установленную внутри полости, образованной цилиндрической обечайкой и крышками, отличающийся тем, что форма двух крайних участков образующей светопропускающей части обечайки определяется по следующим зависимостям:


где ρ - полярный радиус в полярной системе координат, полюс которой совпадает с серединой отрезка максимальной хорды образующей светопропускающей части цилиндрической обечайки, м;
ϕ - полярный угол, рад;
γ - угол между направлением на Солнце из полюса и касательной к образующей в точке пересечения с ней луча направления на Солнце, рад;
А - половина размера максимальной хорды образующей светопропускающей части цилиндрической обечайки, м;
причем форма центральной части образующей для π-γ≥ϕ≥γ - прямая, касательная к кривым по зависимости (2) и по зависимости (3). 2. Солнечный коллектор по п.1, отличающийся тем, что обечайка выполнена из панели, состоящей из двух слоев тонкостенного пластика, соединенных между собой тонкостенными ребрами жесткости из того же материала с образованием изолированных по всей длине пустотелых параллельных каналов, причем направление пустотелых каналов выбрано относительно осей цилиндрической обечайки таким образом, чтобы при рабочем положении солнечного коллектора оно было перпендикулярно направлению силы тяжести. 3. Солнечный коллектор по п.2, отличающийся тем, что пустотелые каналы на светопропускающей части обечайки герметично отделены от их продолжения на теневой части обечайки и заполнены прозрачной жидкостью с показателем преломления n = 1,33-1,6 с возможностью перемещения жидкости через каналы обечайки. 4. Солнечный коллектор по п. 2, отличающийся тем, что на внешнюю и внутреннюю поверхность светопропускающей части обечайки нанесено просветляющее покрытие толщиной d = λ_o/4n, материал которого имеет показатель преломления где П₀ - показатель преломления внешней среды; П₁ - показатель преломления материала обечайки; λ_o - длина волны, соответствующая максимуму спектра солнечного излучения, мкм. 5. Солнечный коллектор по п.1, отличающийся тем, что полость коллектора, образованная обечайкой и торцевыми крышками, выполнена герметичной, а на нижней крышке установлен автоматический дренажный клапан и селективная мембрана, пропускающая в полость преимущественно азот из окружающей атмосферы.