СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР Российский патент 2002 года по МПК F24J2/15 F24J2/24 

Изобретение относится к области создания высокотемпературных солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения и может быть использовано во всех отраслях промышленности, где требуется тепловая энергия, например для получения электрической энергии, холода с высоким КПД, а также для бытовых нужд.

Известен солнечный коллектор с антиконвективной структурой, размещенной в зазоре корпуса между плоской поглощающей панелью теплоприемника и прозрачным покрытием и выполненной в виде гибкой непрерывной ленты, натянутой на два ряда опорных элементов, установленных в шахматном порядке вдоль краев поглощающей панели с образованием совокупности параллельных полос, при этом панель теплоприемника имеет углубления для размещения труб для подвода и отвода теплоносителя. Лента антиконвективной структуры может быть выполнена из металлической фольги с зеркальной отражающей поверхностью и предназначена для подавления конвекции воздуха, при этом не мешая проходу солнечных лучей к теплоприемнику (а.с. 1815531, F 24 J 2/24, 15.05.1993).

Недостатком данного коллектора является невозможность получения в нем высоких температур нагреваемого теплоносителя в связи с недостаточной его способностью улавливать солнечную энергию и преобразовывать ее в тепло.

Также известен солнечных коллектор, содержащий каркас и установленные на нем концентратор в виде треугольных призм - фоклинов, элементы блокировки солнечной радиации в виде упоров, жестко закрепленных на каркасе и контактирующих с противоположными концами поглотителей, размещенных между призмами - фоклинами. Данная конструкция коллектора обеспечивает защиту поглотителя от избыточного солнечного излучения (а.с. 1322034, F 24 J 2/18, 07.07.1987).

Недостатком данного коллектора также является невозможность получения в нем теплоносителя с высокой температурой.

Наиболее близким техническим решением к предложенному солнечному коллектору является солнечный тепловой коллектор, содержащий корпус с прозрачным покрытием в верхней части и теплоприемником в нижней части, между которыми рядами установлены отражательные элементы в виде клиновидных призм, поверхность которых выполнена отражающей солнечные лучи, а именно зеркальной.

Свободная конвекция воздуха между теплоприемником и прозрачным покрытием подавляется сплошным рядом призм, таким образом, обеспечивая подавление радиационных и конвективных потерь тепловой энергии.

Но отражательные элементы не являются концентраторами, а вся конструкция теплового солнечного коллектора не обеспечивает достижения высоких температур на теплоприемнике (а.с. СССР 1467333, F 24 J 2/18, 23.03.1989).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение максимального улавливания солнечного излучения, снижение теплового излучения теплоприемника, уменьшение конвективных потоков, а также обратного отражения излучения прозрачного покрытия для получения высоких температур.

Указанная техническая задача решается тем, что в солнечном коллекторе, содержащем корпус со светопрозрачным покрытием и расположенным в нижней его части теплоприемником, между которыми рядами установлены отражательные элементы в виде зеркальных клиновидных призм, согласно изобретению теплоприемник выполнен в виде верхней прозрачной поверхности, на которой установлены призмы, и нижней стенки, центральная часть которой снабжена полусферическими выступами, расположенными в шахматном порядке, контактирующими и поддерживающими своими вершинами верхнюю поверхность теплоприемника, а края нижней его стенки выполнены в виде вогнутых полуцилиндрических поверхностей для размещения в них труб с низкокипящим теплоносителем, забирающим тепловую энергию коллектора, причем прозрачная поверхность теплоприемника между клиновидными призмами, дополнительно выполняющими роль концентраторов, выполнена выпукло-вогнутой, а сами призмы тонкостенными и полыми с вогнутыми боковыми гранями и выпукло-вогнутым основанием, точечно контактирующим с прозрачной поверхностью теплоприемника в вершинах выпуклостей для уменьшения конвективных потоков и обратного отражения теплоприемника, при этом полость между верхней прозрачной поверхностью теплоприемника и его нижней стенкой заполнена жидкостью с высокой температурой кипения, образующей совместно с выпукло-вогнутой частью прозрачной поверхности теплоприемника мелкие линзы, а объем между светопрозрачным покрытием коллектора и прозрачной поверхностью теплоприемника заполнена газом, обладающим высокими теплоизоляционными свойствами.

Выполнение зеркальных отражательных элементов в виде клиновидных призм с вогнутыми боковыми гранями позволяет исключить механизмы слежения за перемещением Солнца в течение светового дня с одновременным обеспечением максимального поглощения солнечной энергии и концентрирования ее на теплоприемнике, а выполнение основания призм выпукло-вогнутым, точечно контактирующим с прозрачной поверхностью теплоприемника, обеспечивает исключение перегрева прозрачной поверхности, исключает тепловые потери и снижает конвективные потоки.

Выполнение призм полыми и тонкостенными обеспечивает максимальное улавливание солнечной радиации, облегчает конструкцию.

Выполнение прозрачной поверхности теплоприемника между призмами выпукло-вогнутой обеспечивает образование в совокупности с жидкостью с высокой температурой кипения, расположенной в полости теплоприемника, мелких линз (растров), способствующих также максимальному поглощению солнечной энергии для получения высоких температур теплоносителя. Фокусы призм и линз при любом положении Солнца расположены под прозрачной поверхностью теплоприемника в объеме жидкости с высокой температурой кипения, что исключает использование механизмов слежения.

В качестве жидкости с высокой температурой кипения может быть использован глицерин или другие жидкости с температурой кипения порядка 250^oС и выше, чтобы исключить ее кипение.

Радиус кривизны боковых граней призм и прозрачной поверхности теплоприемника выбирается исходя из условий, обеспечивающих исключение Френелевского отражения.

Объем между светопрозрачным покрытием коллектора и прозрачной поверхностью теплоприемника заполнен газом, обладающим высокими теплоизоляционными свойствами, например углекислым газом.

Все это вместе взятое направлено на получение теплоносителя низкого давления и высоких температур (для этого используют низкокипящие теплоносители).

На фиг.1 изображен общий вид коллектора, поперечное сечение, на фиг.2 и фиг.3 - отражатель в виде клиновидной призмы, на фиг.4 - изображена прозрачная поверхность теплоприемника с призмами, на фиг.5 - солнечный коллектор в аксонометрии, на фиг.6 - выпукло-вогнутая прозрачная поверхность теплоприемника между призмами.

Солнечный коллектор содержит теплоизолированный корпус 1 со светопрозрачным покрытием 2 в верхней части и расположенным в нижней его части теплоприемником, между которыми рядами установлены отражательные элементы в виде зеркальных продольных клиновидных призм 3, а теплоприемник выполнен в виде верхней прозрачной поверхности 4, на которой установлены призмы 3, и нижней стенки 5, центральная часть которой снабжена полусферическими выступами 6, расположенными в шахматном порядке, контактирующими и поддерживающими от изгиба своими вершинами верхнюю поверхность 4 теплоприемника и увеличивающими его поверхность, а края нижней его стенки 5 выполнены в виде вогнутых полуцилиндрических поверхностей 7 для размещения в них труб 8 и 9 с низкокипящим теплоносителем, забирающим тепловую энергию коллектора и служащим для получения высоких температур и давлений, причем области 10 прозрачной поверхности 4 теплоприемника между клиновидными призмами 3, дополнительно выполняющими роль концентраторов, выполнены выпукло-вогнутыми, а сами призмы 3 тонкостенными и полыми с вогнутыми боковыми гранями 11 и выпукло-вогнутым основанием 12, точечно контактирующим с прозрачной поверхностью 4 теплоприемника в вершинах 13 выпуклостей для уменьшения конвективных потоков и обратного отражения теплоприемника, при этом полость 14 между верхней прозрачной поверхностью 4 теплоприемника и его нижней стенкой 5 заполнена высокотемпературной жидкостью, например глицерином, образующей совместно с выпукло-вогнутой областью 10 прозрачной поверхности 4 теплоприемника мелкие линзы, а объем 15 между светопрозрачным покрытием 2 коллектора и прозрачной поверхностью 4 теплоприемника заполнена газом, обладающим высокими теплоизоляционными свойствами, например углекислым газом. Коллектор содержит слой теплоизоляции 16.

Зависимость величины фокусного f' расстояния, определяющая полезную толщину теплоприемника и глубину теплоносителя или пруда, от радиуса кривизны R, а следовательно, и степени концентрации, то есть тепловой мощности данной фокальной точки или линии, сферических, асферических или цилиндрических выпуклостей на прозрачной поверхности теплоприемника, которые формируют линзы из теплоносителя с учетом крайних лучей при максимальных углах склонения Солнца без увеличения Френелевского отражения, имеет следующий вид:

при n=1,47158 для глицерина (n - коэффициент преломления света),
при R=20 мм,
f'=47 мм при R=15 мм,
f'=31 мм при R=10 мм.

Солнечный коллектор работает следующим образом.

Энергия Солнца после прохождения покрытия 2 и поверхности 4 поглощается непосредственно жидкостью с высокой температурой кипения. Зеркальные концентраторы в виде призм 3 и выпукло-вогнутые области 10 поверхности 4 концентрируют и отражают солнечные лучи непосредственно в полость 14 теплоприемника, заполненную жидкостью с высокой температурой кипения. Кривизна боковых граней 11 призм 3 и областей 10 поверхности 4 выбрана таким образом, чтобы обеспечить отражение всех лучей на теплоприемник независимо от положения Солнца в течение светового дня и зимнего и летнего Солнечного склонения.

Поглощенная теплоприемником энергия Солнца передается низкокипящему теплоносителю, проходящему по трубам 8 и 9, и отводится к потребителю.

Коллектор может быть выполнен секционным в соответствии со стандартными размерами стекол прозрачных поверхностей, которые стыкуются по торцам до длин любых заданных размеров в зависимости от требуемых мощностных характеристик.

Все вышеописанное дает максимальное исключение тепловых потерь, а зеркальные концентраторы повышают величину равновесной температуры. Из-за прозрачности поверхности 4 теплоприемника резко уменьшается ее теплоотдача, увеличивается равновесная температура теплоносителя, а углекислый газ поглощает инфракрасную область спектра излучения теплоприемника.

Изобретение относится к созданию высокотемпературных солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения и может быть использовано во всех отраслях промышленности, где требуется тепловая энергия. Сущность изобретения заключается в том, что в солнечном коллекторе, содержащем корпус со светопрозрачным покрытием и расположенным в нижней его части теплоприемником, между которыми рядами установлены отражательные элементы в виде зеркальных клиновидных призм, согласно изобретению теплоприемник выполнен в виде верхней прозрачной поверхности, на которой установлены призмы, и нижней стенки, центральная часть которой снабжена полусферическими выступами, расположенными в шахматном порядке, контактирующими и поддерживающими своими вершинами верхнюю поверхность теплоприемника, а края нижней его стенки выполнены в виде вогнутых полуцилиндрических поверхностей для размещения в них труб с низкокипящим теплоносителем, забирающим тепловую энергию коллектора, причем прозрачная поверхность теплоприемника между клиновидными призмами, дополнительно выполняющими роль концентраторов, выполнена выпукло-вогнутой, а сами призмы тонкостенными и полыми с вогнутыми боковыми гранями и выпукло-вогнутым основанием, точечно контактирующим с прозрачной поверхностью теплоприемника в вершинах выпуклостей для уменьшения конвективных потоков и обратного отражения теплоприемника, при этом полость между верхней прозрачной поверхностью теплоприемника и его нижней стенкой заполнена жидкостью с высокой температурой кипения, образующей совместно с выпукло-вогнутой частью прозрачной поверхности теплоприемника мелкие линзы, а объем между светопрозрачным покрытием коллектора и прозрачной поверхностью теплоприемника заполнена газом, обладающим высокими теплоизоляционными свойствами. Изобретение позволит получить высокие температуры теплоносителя без использования систем слежения за Солнцем. 6 ил.

Солнечный коллектор, содержащий корпус со светопрозрачным покрытием и расположенным в нижней его части теплоприемником, между которыми рядами установлены отражательные элементы в виде зеркальных клиновидных призм, отличающийся тем, что теплоприемник выполнен в виде верхней прозрачной поверхности, на которой установлены призмы, и нижней стенки, центральная часть которой снабжена полусферическими выступами, расположенными в шахматном порядке, контактирующими и поддерживающими своими вершинами верхнюю поверхность теплоприемника, а края нижней его стенки выполнены в виде вогнутых полуцилиндрических поверхностей для размещения в них труб с низкокипящим теплоносителем, забирающим тепловую энергию коллектора, причем прозрачная поверхность теплоприемника между клиновидными призмами, дополнительно выполняющими роль концентраторов, выполнена выпукло-вогнутой, а сами призмы тонкостенными и полыми с вогнутыми боковыми гранями и выпукло-вогнутым основанием, точечно контактирующим с прозрачной поверхностью теплоприемника в вершинах выпуклостей для уменьшения конвективных потоков и обратного отражения теплоприемника, при этом полость между верхней прозрачной поверхностью теплоприемника и его нижней стенкой заполнена жидкостью с высокой температурой кипения, образующей совместно с выпукло-вогнутой частью прозрачной поверхности теплоприемника мелкие линзы, а объем между светопрозрачным покрытием коллектора и прозрачной поверхностью теплоприемника заполнена газом, обладающим высокими теплоизоляционными свойствами.