ПЕРФОРИРОВАННОЕ ПРОЗРАЧНОЕ ОСТЕКЛЕНИЕ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТЕПЛА И НАГРЕВА ВОЗДУХА ЗА СЧЕТ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F24J2/50 F24J2/04 

Настоящее изобретение в общем относится к устройству, выполненному с возможностью предварительного нагрева свежего наружного воздуха при помощи свободной энергии, такой как солнечная энергия, и/или извлечения тепла.

В состав традиционных солнечных воздухонагревателей с остеклением обычно входит прозрачная крышка из стекла, поликарбоната или материала Lexan®, расположенная перед поглотителем солнечного излучения темного цвета. Передняя прозрачная крышка обеспечена для снижения до минимума потерь тепла из верхней части коллектора. Обычно свежий наружный воздух впускают с одного края коллектора между передней прозрачной крышкой и поглотителем солнечного излучения. Воздух проходит через коллектор вдоль ребер и поглощает тепло из поглотителя солнечного излучения по мере своего перемещения вдоль поглотителя. Теплый или горячий воздух выпускается с противоположного конца коллектора. По мере поступления воздуха в коллектор его температура поднимается выше температуры окружающей среды. Чем выше температура в коллекторе, тем выше становится потеря тепла в направлении окружающей среды. Потеря тепла происходит через дно, боковые стороны и верх (где находится остекление) коллектора. Как правило, боковые стороны и дно изолированы, в результате чего потеря тепла происходит, главным образом, через верх, а именно, за счет конвекции между поглотителем и остеклением, а затем за счет теплопроводности через остекление. Когда остекление становится очень теплым, коллекторы становятся менее эффективными.

За прошедшие годы также были разработаны различные солнечные воздухонагреватели без остекления. Известные в настоящее время коллекторы по конструкции таковы, что поверхность, поглощающая солнечное излучение, расположена снаружи обращенной к солнцу и не защищена остеклением. Перфорированный поглотитель связан с вентилятором, который создает разрежение между зданием (или дном коллектора) и поглотителем. Когда вентилятор работает, воздух втягивается через поглотитель. Воздух, проходящий через отверстия перфорации во внешнем непрозрачном поглотителе, разрушает возникающую естественным образом пленку теплого воздуха на обращенной наружу стороне (в граничном слое) поглотителя. Этот способ обеспечивает приемлемые эксплуатационные характеристики, когда поток воздуха на единицу площади превышает 6 кубических футов в минуту на квадратный фут коллектора. Однако при скоростях равномерного потока меньше 5 кубических футов в минуту на квадратный фут, количество холодного воздуха, выносимого через перфорированную пластину, недостаточно, чтобы предотвратить нагрев пластины коллектора, что отрицательно влияет на общий тепловой КПД системы. При скорости, составляющей 2 кубических фута в минуту на квадратный фут, КПД падает до 30% или даже менее.

Таким образом, задачей изобретения является решение указанных выше проблем.

Поэтому, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, предлагается тепловой коллектор, содержащий прозрачное остекление, контактирующее с окружающей средой, которое расположено на расстоянии от задней поверхности с получением между ними камеры; множество сквозных отверстий перфорации, созданных в прозрачном остеклении, чтобы сделать возможным протекание наружного воздуха через прозрачное остекление в камеру, причем эти отверстия распределены по части поверхности прозрачного остекления, а камера имеет выпуск; и средство перемещения воздуха, предназначенное для втягивания нагретого воздуха из камеры через выпуск.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, задняя поверхность включает панель, поглощающую солнечное излучение.

В соответствии со следующим аспектом настоящего изобретения, предлагается устройство для нагрева воздуха, содержащее перфорированную прозрачную поверхность, которая пропускает солнечное излучение; поверхность, поглощающую солнечное излучение, которая расположена позади перфорированной прозрачной поверхности для поглощения солнечного излучения; и воздушный зазор, созданный между перфорированной прозрачной поверхностью и поверхностью, поглощающей излучение, причем воздух, протекающий в зазоре, поглощает тепло, поступающее от поверхности, поглощающей излучение, в то время как свежий воздух окружающей среды, протекающий через отверстия в перфорированной прозрачной поверхности, обеспечивает минимальный градиент температур в поперечном сечении этой поверхности.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается прозрачная и перфорированная поверхность, контактирующая с окружающей средой. Эта перфорированная прозрачная поверхность расположена на расстоянии от задней поверхности таким образом, чтобы создать воздушный зазор или камеру между ними. Свежий наружный воздух втягивается в камеру через перфорированную прозрачную поверхность. Задняя поверхность может быть обеспечена, например, в виде дна солнечного коллектора, стены или крыши здания, внешней поверхности теплицы, фотоэлектрической панели, поверхности земли или любой непористой поверхности. В воздушном зазоре между перфорированной прозрачной поверхностью и задней поверхностью поддерживают разрежение при помощи механических или естественных средств. Обеспечен выпуск, позволяющий втягивать воздух, протекающий через камеру, в проход или канал для использования его для подпитки и вентиляции, а также в качестве технологического или обеспечивающего горение воздуха в устройстве, которое потребляет тепловую энергию, либо нуждается в ней.

Воздух в камере нагревается либо солнечным излучением, падающим на поверхность задней панели, работающей как поглотитель солнечного излучения, и/или теплом, поступающим от задней поверхности. Таким образом, устройство может работать как солнечный воздухонагреватель и/или как блок извлечения тепла. При использовании в качестве солнечного воздухонагревателя, задняя поверхность может быть темного цвета, в результате чего падающее солнечное излучение, проходящее через перфорированную прозрачную поверхность, поглощается задней поверхностью в виде тепла и не отражается обратно во внешнее пространство. Однако если задняя поверхность, по эстетическим или другим соображениям, должна быть светлого цвета, тепловой КПД солнечного излучения остается выше, чем у других коллекторов обычной конструкции без остекления. Это особенно четко выражено, когда устройство используется в качестве устройства для извлечения тепла, так как задняя поверхность может быть любого цвета без влияния на КПД (она может быть даже прозрачной, как в случае теплицы), при этом, чем ниже тепловое сопротивление (изолирование) задней поверхности, тем больше степень извлечения тепла. Устройство можно одновременно использовать для выполнения как функции нагрева за счет солнечного излучения, так и функции извлечения тепла.

Если необходимо, на пути предварительно нагретого воздуха, покидающего упомянутое устройство, ниже по направлению потока может быть установлено дополнительное нагревательное устройство (например, система, работающая на сжигаемом газе) для доведения его температуры до заданного уровня.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ предварительного нагрева наружного воздуха для здания, имеющего поверхность, обращенную к солнцу, и этот способ содержит следующие этапы: обеспечивают на поверхности здания, обращенной к солнцу, перфорированную прозрачную поверхность, пропускающую солнечное излучение, таким образом, чтобы между перфорированной прозрачной поверхностью и поверхностью, обращенной к солнцу, возникла камера; втягивают наружный воздух через перфорированную прозрачную поверхность в камеру; улавливают падающее солнечное излучение, проходящее через перфорированную прозрачную поверхность, нагревают воздух в камере, используя улавливаемое солнечное излучение; и отводят нагретый воздух из камеры.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

фиг.1 - схематично показанный вид сбоку солнечного коллектора, включающего перфорированную прозрачную поверхность, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;

фиг.2 - схематично показанный вид сбоку другого варианта солнечного коллектора, имеющего перфорированное прозрачное остекление;

фиг.3 и 4 - схематично показанные виды сбоку установленных на земле солнечных коллекторов, имеющих перфорированное прозрачное остекление, в соответствии с другими вариантами реализации настоящего изобретения;

фиг.5 - схематично показанный вид сбоку установленного на стене солнечного коллектора, имеющего перфорированное прозрачное остекление;

фиг.6 - схематично показанный вид сбоку установленного на крыше солнечного коллектора, имеющего перфорированное прозрачное остекление;

фиг.7 - схематично показанный вид, иллюстрирующий перфорированное прозрачное остекление, окружающее оболочку теплицы для предварительного нагрева холодного наружного воздуха перед его втягиванием в теплицу при помощи вентиляционной системы; и

фиг.8 - графическое сравнение КПД перфорированных коллекторов с остеклением и перфорированных коллекторов без остекления как функции от количества проходящего через них воздуха.

Здесь предполагается, что термин "остекление" в широком смысле относится к любой прозрачной поверхности, пропускающей свет.

На фиг.1 показан солнечный воздухонагреватель 10 в виде вытянутого желобоподобного корпуса, установленный на основании и включающий обращенное к солнцу, перфорированное прозрачное остекление 12, контактирующее с окружающей средой и размещенное перед задней панелью, имеющей дугообразную пластину 14 поглотителя солнечного излучения, установленную над изоляционным слоем 15. Задняя панель в общем выполнена в виде стенки, имеющей форму половинки трубы, которая покрыта перфорированным прозрачным остеклением 12. Пластина 14 поглотителя может быть темного цвета, чтобы увеличить до максимума долю улавливаемой солнечной энергии. Перфорированное остекление 12 может быть выполнено в виде перфорированной пластины из поликарбоната или прозрачного материала, стойкого к ультрафиолету. Также можно было бы использовать и другие прозрачные полимеры. Остекление 12 может быть жестким или гибким. Отверстия перфорации могут быть распределены по всей поверхности остекления, либо только по выбранной ее части. Плотность расположения отверстий на поверхности остекления может быть неизменной или переменной.

Между перфорированным остеклением 12 и пластиной 14 поглотителя солнечного излучения образуется камера 16. С выпуском 18, созданным на одном краю задней панели, с возможностью оперативного управления соединен вентилятор или другое подходящее средство перемещения воздуха, чтобы втягивать свежий наружный воздух через перфорированное остекление 12 в камеру 16 перед его направлением в вентиляционную систему, например, вентиляционную систему здания. Солнечное излучение, проходящее через перфорированное прозрачное остекление 12, поглощается пластиной 14 поглотителя. Воздух в камере 16 забирает тепло, поглощенное пластиной 14 поглотителя, перед отведением этого воздуха из камеры 16. По мере перемещения воздуха в продольном направлении камеры 16 между пластиной 14 поглотителя и перфорированным остеклением 12, дополнительный свежий наружный воздух втягивается через перфорированное остекление 12. За счет этого температура остекления 12 остается, по существу, равной температуре окружающей среды. Соответственно, разность температур между поступающим воздухом и окружающей средой равна нулю или близка к нулю, в результате чего тепловой КПД остается на максимально возможном уровне. Потери тепла через крышку остекления, таким образом, удерживаются на минимальном уровне.

На фиг.2 показан второй вариант реализации настоящего изобретения, в котором аналогичные элементы указаны аналогичными ссылочными обозначениями. Солнечный воздухонагреватель 10а, показанный на фиг.2, по сути, отличается от солнечного воздухонагревателя 10, показанного на фиг.1, тем, что этот воздухонагреватель 10а имеет плоскую форму за счет параллельных прозрачного остекления и задней панели, которые расположены на расстоянии друг от друга. Задняя панель выполнена в виде плоской пластины 14а поглотителя, установленной над плоским слоем изоляционного материала 15а. Пластина 14а поглотителя могла бы быть волнистой. По периметру задней панели и перфорированного прозрачного остекления 12а расположены боковые или опорные стенки 19а, позволяющие создать между ними равномерный воздушный зазор 16а. В предпочтительном случае перфорированное остекление 12а и задняя панель имеют одинаковую протяженность в пространстве. Задняя панель 14а может быть выполнена в виде фотоэлектрических панелей, чтобы обеспечить как нагрев воздуха, так и охлаждение фотоэлектрических панелей, которые генерируют больше электричества, когда на их поверхности поддерживаются низкие температуры. Как показано на фиг.1 и 2, в предпочтительном случае перфорированное прозрачное остекление 12а поддерживается под наклоном, равным широте данной местности и обращенным к экватору, в зависимости от варианта использования. Однако понятно, что прозрачное остекление можно сориентировать и наклонить иначе. Например, на фиг.4 показано перфорированное прозрачное остекление, которое ориентировано горизонтально, а на фиг.5 - остекление, которое ориентировано вертикально.

Как показано на фиг.3 и 4, солнечный воздухонагреватель может быть установлен непосредственно на земле, при этом поверхность земли образует заднюю панель устройства. В варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг.3, где аналогичные элементы указаны аналогичными ссылочными обозначениями, камера 16b образована перфорированным прозрачным остеклением 12b, стеной 20b здания и поверхностью G земли. Свежий наружный воздух, втягиваемый в камеру 16b, нагревается за счет солнечного излучения, поглощенного поверхностью G земли, а также за счет тепла, выходящего из здания через стену 20b. Свежий наружный воздух, протекающий через отверстия перфорации, созданные в прозрачном остеклении 12b, поддерживает градиент температур в поперечном сечении остекления близким к нулю, что обеспечивает высокий тепловой КПД. Нагретый воздух отводится из камеры 16b и направляется в здание В через вентиляционную систему здания (не показана). Как показано на фиг.4, где аналогичные элементы также указаны аналогичными ссылочными обозначениями, солнечный воздухонагреватель также может быть выполнен в виде корпуса, имеющего периферийную стенку 19с, закрытое дно, образованное поверхностью земли, и верх, закрытый перфорированным прозрачным остеклением 12с. Для отвода нагретого воздуха из камеры 16с предусмотрен выпуск 18с, соединенный с подходящим средством перемещения воздуха.

Как показано на фиг.5 и 6, перфорированное прозрачное остекление 12d и 12е может быть установлено напротив стены 20d или крыши 22е здания. В варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг.5, камера 16d создана между наружной поверхностью стены 20d здания и соседним, вертикально ориентированным, перфорированным прозрачным остеклением 12d. В варианте реализации настоящего изобретения, показанном на фиг.6, камера 16е образована наружной поверхностью крыши 22е здания и перфорированным прозрачным остеклением 12е. В обоих вариантах тепло, выходящее из коробки здания через стену 20d или крышу 22е, извлекается для нагрева воздуха в камерах 16d и 16е. Как крыша 22е, так и стена 20d здания работают как поглотители солнечного излучения, чтобы дополнительно нагреть воздух окружающей среды, втягиваемый в камеры 16d и 16е. Солнечное излучение проходит через перфорированное прозрачное остекление и поглощается расположенными ниже поверхностями стены или крыши здания, и воздух в камере поглощает тепло, поступающее от стены или крыши здания. В противоположность обычным стенам или крышам с поглощением солнечного излучения, где солнечное излучение непосредственно поглощается панелями темного цвета, покрывающими стену или крышу зданий, прозрачное остекление не меняет отрицательным образом внешний вид здания (т.е. не изменяет цвет его стены или крыши). В отличие от известного уровня техники, на эксплуатационные характеристики системы не влияет или их не ограничивает цвет перфорированных панелей, установленных на стене или крыше здания. Перфорированное остекление 12d и 12е прозрачно, и поэтому оно не изменяет цвет стены или крыши здания. Нет необходимости в компромиссе по эстетическим соображениям.

На фиг.7 показано другое возможное применение настоящего изобретения. Если говорить более конкретно, на фиг.7 изображена теплица В', имеющая каркас, покрытый прозрачной облицовкой 25f или мембраной, что хорошо известно в данной области техники. Перфорированное прозрачное остекление 12f установлено на стене и крыше теплицы с получением двустенной конструкции, имеющей воздушный зазор 16f, созданный между перфорированным прозрачным остеклением 12f и внутренней прозрачной облицовкой 25f. В этом варианте реализации настоящего изобретения перфорированное прозрачное остекление 12f работает как второй изоляционный слой для теплицы В'. Тепло, выходящее из теплицы через внутреннюю облицовку 25f, извлекается в воздушном зазоре 16f. Для втягивания нагретого воздуха из воздушного зазора обратно в теплицу B' может быть предусмотрен вентилятор или тому подобное. Перфорированное прозрачное остекление 12f обеспечивает необходимую прозрачность, требующуюся для роста растений.

Как можно понять из приведенных выше вариантов реализации настоящего изобретения, устройство может быть использовано в нескольких областях, включая:

- Солнечные воздухонагреватели;

- Устройство предварительного нагрева свежего воздуха за счет солнечного излучения, установленное на стенах или крышах зданий;

- Гибридные системы нагрева воды/воздуха за счет солнечного излучения;

- Тепловые насосы для предварительного нагрева воздуха или воды за счет воздуха (воздух-воздух или воздух-вода);

- Прозрачное устройство извлечения энергии для теплиц;

- Охлаждение фотоэлектрических панелей;

- Недорогое бытовое устройство для предварительного нагрева за счет солнечного излучения.

Кроме того, после упомянутого устройства могут также быть установлены различные устройства для дополнительной обработки воздуха. Например, упомянутое устройство можно соединить со следующими блоками:

- Блок подпитки воздухом, работающий на сжигаемом газе;

- Воздушный тепловой насос (воздух-воздух или воздух-вода);

- Тепловой насос для плавательных бассейнов;

- Камера сгорания;

- Блок извлечения тепла.

Описанное выше прозрачное или перфорированное остекление предоставляет множество преимуществ. Поступающий воздух вводится через поверхность остекления, либо в большей ее части, либо по всей ее площади. Соответственно, поверхность остекления остается холодной, в результате чего, по существу, предотвращается потеря тепла через верх коллектора. Кроме того, температура воздуха внутри коллектора остается относительно низкой, что снижает потери тепла через дно и боковые стороны. Предлагаемая конструкция перфорированного прозрачного остекления обеспечивает КПД использования солнечного излучения, по меньшей мере, на уровне обеспечиваемого конструкцией на основе перфорированных пластин при высоких скоростях потока. При этом в случае более низких скоростей потока КПД использования солнечного излучения остается высоким и значительно превышает КПД светонепроницаемых перфорированных коллекторов, и даже превышает КПД коллекторов с остеклением, при стоимости менее половины. Что легко можно понять из фиг.8. Если говорить более конкретно, можно видеть, что при скорости потока от 2 до 6 кубических футов в минуту на квадратный фут перфорированной поверхности КПД перфорированного остекления с задней поверхностью черного цвета значительно превосходит КПД обычного солнечного коллектора на основе перфорированного листового металла черного цвета. Разница в эксплуатационных характеристиках еще более заметна в случае солнечных коллекторов светлого или белого цвета. Перфорированное остекление с задней поверхностью белого цвета до 100% более эффективно, чем коллектор на основе перфорированного листового металла белого цвета. Кроме того, можно заметить, что разница в эксплуатационных характеристиках между обычными перфорированными коллекторами без остекления и описанными выше перфорированными конструкциями с остеклением еще более значительна при низких скоростях потока, составляющих, например, 3 или 4 кубических фута в минуту на квадратный фут.

Специалисту в данной области техники будет очевидно, что в изображенных вариантах реализации настоящего изобретения могут быть сделаны модификации, не выходящие за пределы сущности и объема этого изобретения, которые определены в пунктах формулы изобретения.

Тепловой коллектор содержит прозрачное остекление (12), контактирующее с окружающей средой. Прозрачное остекление (12) расположено на расстоянии от задней поверхности с получением камеры (16) между ними. В прозрачном остеклении (12) создано множество сквозных отверстий перфорации, позволяющих наружному воздуху протекать через это остекление (12) в камеру (16) и, по существу, поддерживать температуру прозрачного остекления (12) на уровне температуры окружающей среды, причем эти отверстия распределены по части поверхности прозрачного остекления, а камера имеет выпуск; и средство перемещения воздуха, предназначенное для втягивания нагретого воздуха из камеры через выпуск. Устройство для нагрева воздуха содержит перфорированную прозрачную поверхность, которая пропускает солнечное излучение; поверхность, поглощающую солнечное излучение, которая расположена позади перфорированной прозрачной поверхности для поглощения солнечного излучения; и воздушный зазор, образованный между перфорированной прозрачной поверхностью и поверхностью, поглощающей излучение, причем воздух, протекающий в зазоре, поглощает тепло, поступающее от поверхности, поглощающей излучение, в то время как свежий воздух окружающей среды, протекающий через отверстия в перфорированной прозрачной поверхности, обеспечивает минимальный градиент температур в поперечном сечении этой поверхности. Изобретение должно обеспечить более высокий тепловой КПД. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Тепловой коллектор, содержащий прозрачное остекление, контактирующее с окружающей средой, расположенное на расстоянии от задней поверхности с образованием между ними камеры; множество сквозных отверстий перфорации, образованных в прозрачном остеклении для обеспечения протекания наружного воздуха через прозрачное остекление в камеру, причем эти отверстия распределены по части поверхности прозрачного остекления, а камера имеет выпуск; и средство перемещения воздуха, предназначенное для втягивания нагретого воздуха из камеры через выпуск.

2. Тепловой коллектор по п.1, в котором задняя поверхность включает панель, поглощающую солнечное излучение.

3. Тепловой коллектор по п.2, в котором панель, поглощающая солнечное излучение, расположена на слое изоляционного материала.

4. Тепловой коллектор по п.2, в котором панель, поглощающая солнечное излучение, выполнена изогнутой.

5. Тепловой коллектор по п.1, в котором задняя поверхность содержит, по меньшей мере, одну фотоэлектрическую панель.

6. Тепловой коллектор по п.1, в котором задняя поверхность выполнена светлого цвета.

7. Тепловой коллектор по п.2, в котором панель, поглощающая солнечное излучение, выполнена волнистой.

8. Тепловой коллектор по п.1, в котором задняя поверхность имеет вытянутую форму, напоминающую трубу, при этом перфорированное остекление проходит в продольном направлении вдоль одной из ее сторон.

9. Тепловой коллектор по п.1, в котором камера, по меньшей мере, отчасти ограничена стеной здания.

10. Тепловой коллектор по п.1, в котором задняя поверхность включает прозрачную мембрану, образующую часть корпуса теплицы.

11. Тепловой коллектор по п.1, в котором задняя поверхность, по меньшей мере, отчасти образована поверхностью земли.

12. Тепловой коллектор по п.1, в котором распределение перфорации по площади поверхности прозрачного остекления выполнено с возможностью поддерживания градиента температуры в прозрачном остеклении, близким к нулю.

13. Устройство для нагрева воздуха, содержащее перфорированную прозрачную поверхность, которая пропускает солнечное излучение; поверхность, поглощающую солнечное излучение, которая расположена позади перфорированной прозрачной поверхности для поглощения солнечного излучения; и воздушный зазор, образованный между перфорированной прозрачной поверхностью и поверхностью, поглощающей излучение, причем воздух, протекающий в зазоре, поглощает тепло, поступающее от поверхности, поглощающей излучение, в то время как свежий воздух окружающей среды, протекающий через отверстия в перфорированной прозрачной поверхности, обеспечивает минимальный градиент температур в поперечном сечении этой поверхности.

14. Устройство по п.13, в котором для поддержания в воздушном зазоре разрежения обеспечено средство перемещения воздуха.

15. Устройство по п.14, в котором перфорированная прозрачная поверхность установлена на поверхности здания, причем воздушный зазор образован между перфорированной прозрачной поверхностью и поверхностью здания.

16. Устройство по п.15, в котором поверхность здания представляет собой прозрачную мембрану, простирающуюся над каркасом теплицы.

17. Устройство по п.15, в котором поверхность здания образует часть поверхности, поглощающей солнечное излучение, и выполнена светлого цвета.

18. Устройство по п.13, в котором поверхность, поглощающая солнечное излучение, содержит панель коллектора, установленную на поверхности здания, причем перфорированная прозрачная поверхность отделяет панель коллектора от окружающей среды.