СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР Российский патент 2003 года по МПК F24J2/04 

Изобретение относится к гелиотехнике и служит для нагрева жидкого теплоносителя. Оно может применяться для горячего водоснабжения в коммунальном хозяйстве, системе общественного питания, быту, а также для отопления.

Известен солнечный коллектор [1] , содержащий две прозрачные стенки с прямоугольными каналами между ними. Теплоноситель подается под давлением снизу, распределяется равномерно по параллельным каналам и отводится сверху.

Недостатком этого коллектора является то, что для того чтобы он выдерживал, не разрушаясь, создаваемое внутри его каналов давление, стенки каналов необходимо выполнять массивными.

Известен коллектор солнечной энергии для подогрева жидкости [2], имеющий в своем составе поглотитель солнечной энергии, подкладку, между подкладкой и поглотителем - полость для жидкости, желоб для отвода нагретой жидкости, подводящий и отводящий патрубки.

Недостатком этого коллектора также является то, что к нему нельзя подводить жидкость под давлением, например подключить к водопроводу. Так как при этом в конструкциях коллектора создаются значительные напряжения, которые коллектор не способен выдержать без разрушения.

Наиболее близким к заявляемому солнечному коллектору является солнечный коллектор [3] . Он содержит трубчатые секции с поглощающей оболочкой, подключенные к подающему и отводящему патрубкам. Трубчатые секции подключены к патрубкам параллельно друг другу.

Недостатком этого коллектора является то, что при подаче холодной жидкости внутрь коллектора в нем происходит перемешивание горячей жидкости с холодной во всех секциях одновременно. В результате чего к потребителю поступает жидкость с пониженной температурой. Это значительно снижает эффективность коллектора.

Целью изобретения является повышение эффективности работы коллектора.

Существенным отличительным признаком изобретения является то, что цилиндрические емкости поглощающей панели расположены горизонтально и дважды соединены между собой в своих нижних и верхних точках.

Существенным преимуществом коллектора является то, что перемешивание горячей жидкости с вытесняющей ее холодной жидкостью является незначительным.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез солнечного коллектора с наклонной поглощающей панелью. На фиг.2 изображен вид А на фиг.1 солнечного коллектора с условно снятой прозрачной изоляцией. На фиг.3 изображен поперечный разрез солнечного коллектора с вертикально расположенной поглощающей панелью.

Солнечный коллектор с наклонно расположенной поглощающей панелью состоит из корпуса 1, цилиндрических емкостей 2, теплоизоляции 3, наружного слоя прозрачной изоляции 4, внутреннего слоя прозрачной изоляции 5, рамы 6, скоб 7, поглощающей солнечные лучи поверхности 8, мало излучающей поверхности 9, верхнего патрубка 10, нижнего патрубка 11, упора 12, выпуклых полусферических поверхностей 13, отверстия 14, серег 15 и 16, верхних 17 и нижних 18 соединительных трубок (в виде двух рядов трубок). Солнечный коллектор с вертикально расположенной поглощающей панелью между цилиндрическими емкостями имеет только ряд соединений 19.

Солнечный коллектор с наклонно расположенной поглощающей панелью устроен следующим образом. Корпус 1 представляет собой полость, закрытую с пяти сторон. Он устанавливается наклонно, открытой стороной к солнцу. С нижнего его торца имеется отверстие 14, которое служит для того, чтобы исключить перепад давления внутри и снаружи корпуса. Внутрь корпуса помещается теплоизоляция 3, а затем рама 6, которая крепится к нижнему и верхнему торцам корпуса 1. К раме 6 при помощи скоб 7 крепятся тонкостенные цилиндрические емкости 2. Со стороны теплоизоляции 3 цилиндрические емкости имеют малоизлучающую, например полированную, поверхность 9. Со стороны, повернутой к солнцу, цилиндрические емкости имеют зачерненную или селективную, с высокой поглощательной и низкой излучательной способностью поверхность 8. Цилиндрические емкости последовательно соединены между собой при помощи верхних 17 и нижних 18 соединительных трубок.

Торцы цилиндрических емкостей 2 выполнены в виде выпуклых полусфер 13. Подобная форма цилиндрических емкостей позволит им выдержать значительное внутреннее давление при малой толщине своих стенок. Это значительно удешевляет и облегчает конструкцию коллектора.

В солнечном коллекторе цилиндрические емкости закреплены горизонтально и вплотную друг к другу при помощи скоб 7 на раме 6. Таким образом цилиндрические емкости все вместе образуют поглощающую солнечные лучи панель.

К нижней цилиндрической емкости 2 в верхней ее точке одним концом подсоединена верхняя соединительная трубка 17. Другим концом она подсоединяется к расположенной над ней, соседней с ней, другой цилиндрической емкости 2. К верхней точке этой, второй по счету снизу, цилиндрической емкости также подсоединяется одним концом другая верхняя соединительная трубка 17, которая другим концом соединена с расположенной выше соседней цилиндрической емкостью и т.д. К самой верхней цилиндрической емкости в верхней ее точке вместо верхней соединительной трубки подсоединен верхний патрубок 10. В нижней точке самой верхней цилиндрической емкости одним концом подсоединена нижняя соединительная трубка 18. Другим концом эта трубка подсоединена к расположенной под этой цилиндрической емкостью, другой, соседней с ней, цилиндрической емкостью 2. К этой цилиндрической емкости в свою очередь также в нижней ее точке подсоединена одним концом другая нижняя соединительная трубка 18, которая другим концом соединена с расположенной ниже соседней цилиндрической емкостью и т.д. К самой нижней цилиндрической емкости в нижней ее точке вместо нижней соединительной трубки 18 подключен нижний патрубок 11.

В итоге каждая емкость имеет два выхода в своих верхних и нижних точках. Этим достигается полное вытеснение воздуха при заполнении коллектора жидкостью и полный ее слив при опорожнении коллектора. Это необходимо, так как наличие воздушных линз в цилиндрических емкостях значительно уменьшает коэффициент полезного действия коллектора. Полный слив воды из коллектора исключает размораживание его зимой.

Патрубки 10 и 11 совместно с серьгами 15 и 16 соответственно прикреплены к корпусу 1. Серьги 15 и 16 в свою очередь другими концами прикреплены к раме 6. Снизу цилиндрические емкости поддерживает упор 12.

Прозрачная изоляция служит для достижения тепличного эффекта. Она выполнена двойной, что значительно усиливает ее эффективность. Наружный слой прозрачной изоляции 4 выполнен сплошным. Он герметично закрывает сверху солнечный коллектор. Второй внутренний слой прозрачной изоляции 5 расположен между наружным слоем и поглощающей панелью, образованной цилиндрическими емкостями 2, параллельно наружному слою. Внутренний слой прозрачной изоляции 5 выполнен составным. Составной характер позволяет значительно уменьшить возникающие в прозрачной изоляции при работе коллектора термические напряжения.

Солнечный коллектор с вертикально расположенной поглощающей панелью между цилиндрическими емкостями имеет только один ряд соединений 19, которых в этом случае достаточно для полного вытеснения воздуха при заполнении коллектора и полный слив жидкости при его опорожнении. В этом случае каждая цилиндрическая емкость в своей верхней точке подсоединена к находящейся над ней соседней цилиндрической емкости в ее нижней точке. В остальном конструкция этого варианта солнечного коллектора аналогична предыдущей.

Наиболее рациональная схема подключения коллектора с наклонным расположением поглощающей панели изображена на фиг.4. Она включает в себя солнечный коллектор 20, трубопровод 21 с холодным теплоносителем, например водой, трубопровод 22 с горячим теплоносителем, регулирующие вентили 23 и 24, смесительную трубку 25, вентиль 26. В качестве трубопровода 21 может быть использован сетевой водопровод с обычным для него давлением. Трубопровод 21 подключается к нижнему патрубку 11 солнечного коллектора 29. Этот трубопровод имеет ответвление. Оно подключается к регулирующему вентилю 24, к которому с другой стороны подключена смесительная трубка 25. К верхнему патрубку 10 одним концом подключен трубопровод 22. Другим концом этот трубопровод подключен к регулирующему вентилю 23. С другой стороны к вентилю 23 подсоединена смесительная трубка 25. Трубопровод 21 имеет вентиль 26.

Опишем процесс заполнения солнечного коллектора теплоносителем. Если открыть вентили 23 и 25, то воздух, находящийся в цилиндрических емкостях 2, начинает вытесняться поступающим под давлением по трубопроводу 21 холодным жидким теплоносителем, например водой. Вытесняемый воздух поступает в трубопровод 22 и через регулирующий вентиль 23 и смесительную трубку удаляется в атмосферу. Из цилиндрических емкостей воздух удаляется через верхние соединительные трубки 17 полностью, так как они подсоединены к ним в их верхних точках. Теплоноситель, поступая снизу, сначала заполняет нижнюю цилиндрическую емкость, затем цилиндрическую емкость, расположенную над ней, и так далее до полного заполнения коллектора. В этом случае солнечный коллектор можно считать приведенным в рабочее положение.

Нагрев теплоносителя происходит следующим образом. Солнечные лучи, проникая через прозрачную изоляцию, поглощаются поглощающей поверхностью 8. Тепло от этой поверхности через стенки цилиндрических емкостей передается к находящемуся в них теплоносителю 27. Теплоноситель нагревается. Нагретый теплоноситель по мере необходимости может быть использован потребителем.

Опишем процессы, протекающие в солнечном коллекторе, при использовании горячего теплоносителя потребителем на примере схемы подключения коллектора, изображенной на фиг. 4. Если открыть вентиль 26, то холодный теплоноситель начнет поступать в нижнюю цилиндрическую емкость коллектора, вытесняя при этом вверх горячий теплоноситель через верхний патрубок 10, трубопровод 22, вентиль 23 и смесительную трубку 25, поступает к потребителю. В случае если температуру теплоносителя необходимо регулировать, то это делается при помощи вентилей 23 и 24. При открытии вентиля 24 в смесительную трубку из трубопровода 21 поступает холодный теплоноситель, где он смешивается с поступающим туда горячим теплоносителем. В зависимости от степени открытия этих вентилей в смесительную трубку поступает различное количество горячей и холодной воды. Температура полученной смеси тоже будет различной. Степенью открытия вентилей 23 и 24 можно регулировать температуру полученной смеси. В результате температура теплоносителя, поступающего к потребителю, регулируется.

Холодный теплоноситель, поступающий снизу в цилиндрические емкости, заполняет эти емкости последовательно одну за другой, практически не смешиваясь с горячим теплоносителем. Так как горячий теплоноситель не смешивается с холодным, то температура поступающего к потребителю теплоносителя будет высокой. Эффективность коллектора поэтому также будет высокой.

В случае если на месте установки солнечного коллектора нет водопроводной сети, но необходимо регулировать температуру поступающего к потребителю теплоносителя, то целесообразна схема подключения, которая изображена на фиг.5. Она отличается тем, что включает в себя, кроме прочего, бак с холодной водой 28. Этот бак устанавливается выше солнечного коллектора 20. Они соединяются между собой при помощи трубопровода 21. Перепад высот между коллектором и баком обеспечивает необходимый перепад давлений. Теплоноситель заливается в систему через горловину 29. В остальном принцип действия системы по этой схеме будет аналогичен. В случае если нет необходимости регулировать температуру теплоносителя, то целесообразно использовать схему, изображенную на фиг. 6. Она включает в себя солнечный коллектор 20, трубопровод 22 и вентиль 23. Солнечный коллектор заполняется теплоносителем через верхний патрубок 10 при закрытом вентиле 23. Нагрев теплоносителя происходит, как и в предыдущем случае. По мере необходимости в горячем теплоносителе солнечный коллектор опорожняется путем открытия вентиля 23.

Схемы подключения и принцип работы солнечного коллектора с вертикально расположенной солнечной панелью аналогичен описанным выше.

Солнечный коллектор с площадью поглощающей панели 1,5 м² при солнечной радиации 800 Вт/м², температуре наружного воздуха 25^oС, начальной температуре нагреваемой воды 18^oС позволит нагреть 60 литров воды за 5 часов до температуры 70^oС.

Воду с такой температурой удобно использовать для горячего водоснабжения или отопления. При этом будет сэкономлено значительное количество топлива.

За базовый принимается выпускаемый промышленностью, солнечный коллектор БСВ-60. При одинаковой массе нагреваемой воды описанный выше солнечный коллектор отличается от базового значительно меньшим весом. Он легче базового на 30 килограмм, так как поглощающая панель описанного коллектора выполнена из тонколистового материала. Это приводит также к уменьшению его цены, облегчению транспортировки и монтажа.

Вывод: Применение описанных конструкций солнечных коллекторов целесообразно, так как они обладают значительными преимуществами по сравнению с аналогами, прототипом и базовым солнечным коллектором.

Источники информации
1. Способ и устройство для поглощения солнечной энергии. Anordning och forfarand vid solenergi-fungere samt anviendung av densame. Заявка 468226 Швеции, МКИ F 24 J 2/04, Eriksson Tore 8903066-2, заявл 19.09.1989, опубл. 23.11.1992.

2. Коллектор солнечной энергии для подогрева жидкости. Sonnenkalektor zur Erwarmung eines Fluides. Заявка 4104638 ФРГ, МКИ F 24 J 2/48, cost Kurlfried 4104638.2, заявл. 15.02.1991, опубл. 20.08.1992.

3. Авторское свидетельство СССР 1386816, М.кл. F 24 J 2/02. М.М.Севернев, М. Г. Морозов, В. В.Чугай и В.Н.Дашков. Солнечный тепловой коллектор, заявл. 28.10.1986, опубл. 07.04.1988, бюл. 13.

Изобретение относится к гелиотехнике и служит для нагрева жидкого теплоносителя. Сущность изобретения заключается в том, что в солнечном коллекторе, содержащем корпус, теплоизоляцию, прозрачную изоляцию, наклонную поглощающую панель, патрубки, согласно изобретению поглощающая панель выполнена в виде ряда горизонтально расположенных тонкостенных цилиндрических емкостей, последовательно сообщающихся между собой при помощи двух рядов соединительных трубок, подсоединенных к нижним и верхним точкам цилиндрических емкостей, а торцы цилиндрических емкостей имеют выпуклую полусферическую форму. Изобретение должно обеспечить повышение эффективности работы коллектора. 6 ил.

Солнечный коллектор, содержащий корпус, теплоизоляцию, прозрачную изоляцию, наклонную поглощающую панель, патрубки, отличающийся тем, что поглощающая панель выполнена в виде ряда горизонтально расположенных тонкостенных цилиндрических емкостей, последовательно сообщающихся между собой при помощи двух рядов соединительных трубок, подсоединенных к нижним и верхним точкам цилиндрических емкостей, а торцы цилиндрических емкостей имеют выпуклую полусферическую форму.