Многофункциональный солнечный коллектор-аккумулятор Российский патент 2017 года по МПК F24J2/24 F24J2/34 F24J2/36 

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано, в частности, в устройствах, преобразующих электромагнитное излучения солнца в тепловую энергию для ее аккумулирования и нагрева теплоносителя.

Известен многофункциональный солнечный коллектор, который содержит монолитный корпус из теплоизоляционного материала, прозрачное ограждение и абсорбер, расположенный в корпусе. Корпус выполнен П-образным и с обеих его торцевых сторон установлены П-образные профили. Прозрачное ограждение размещено на боковых выступах корпуса и торцевых П-образных профилях. Корпус и прозрачное ограждение с боковых сторон охвачены внешними П-образными профилями, а с торцевых сторон - торцевыми крышками, образующими с торцевыми П-образными профилями впускную и выпускную воздушные камеры, сообщенные с внутренним объемом корпуса и внешними воздуховодами отверстиями в П-образном профиле. Абсорбер дополнительно снабжен продольными трубками для протекания жидкого теплоносителя, соединенными входным и выходным патрубками, размещенными на его тыльной стороне (см. RU 2388974, МПК F24J 2/04, 2009 г. Выбран в качестве прототипа).

Однако известный солнечный коллектор имеет низкую эффективность работы в вечерние и утренние часы, когда единственная теплоприемная панель частично затеняется непрозрачным каркасом боковых стенок рамной конструкции, а коэффициент отражения солнечных лучей плоского стекла значительно увеличивается при больших углах падения в соответствии с формулой отражения Френеля. Кроме того, процесс его изготовления достаточно сложен и трудоемок. Известный солнечный коллектор позволяет осуществлять нагрев только жидкостного теплоносителя с небольшим временем хранения тепла.

Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективной конструкции с высоким КПД при обеспечении минимальной себестоимости и высокой надежности при преобразовании солнечной энергии в тепло.

Технический результат - повышение температуры преобразования солнечного излучения и коэффициента полезного действия (КПД) за счет интенсификации теплообмена и оперативной аккумуляции тепла по месту его получения.

Технический результат достигается заявляемым многофункциональным солнечным коллектором-аккумулятором.

Коллектор содержит корпус из теплоизолирующего материала, с боковых сторон охваченный внешними П-образными профилями, абсорбер с трубками теплообменника и присоединительными патрубками для протекания жидкого теплоносителя, а также торцевое прозрачное ограждение с защитными крышками. В отличие от прототипа трубки теплоносителя обложены герметичными пакетами из эластичной прозрачной пленки, заполненными объемным абсорбером из теплоаккумулирующего материала, обладающего фазовым переходом плавления и оптическими свойствами серого тела, с обеих торцевых сторон этих пакетов закреплены фиксирующие решетки, прижатые двумя съемными пластинами прозрачного ограждения, прикрытыми откидными защитными крышками с внутренней зеркальной поверхностью, которые при помощи съемных петель установлены на вышеупомянутых П-образных профилях прямоугольной рамы, снабженной защелками и элементами крепления зеркальных концентраторов, образованных из открытых защитных крышек. Также защитные крышки при помощи крепежных стержней в открытом положении установлены на петлях под углом 45-50 градусов относительно плоскости симметрии коллектора, которая ориентирована параллельно плоскости эклиптики. Также в открытом рабочем положении в плоскости поворота защитных крышек крепежные стержни, прозрачное ограждение и крышки с каждой стороны образуют треугольную конфигурацию с обеспечением жесткого взаиморасположения. Теплоаккумулирующий материал с фазовым переходом плавления может состоять из стеарина с добавлением черного жирорастворимого красителя типа гудрона или свечного F черный Black С.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен частичный поперечный разрез предлагаемого коллектора. На фиг. 2 - походный вариант установки коллектора. На фиг. 3 - вариант его стационарной установки.

Предлагаемый многофункциональный солнечный коллектор (фиг. 1) содержит монолитный корпус 1 из теплоизоляционного материала, пластины прозрачного ограждения 2 и объемный абсорбер 3 с трубками теплообменника 4 и присоединительными патрубками 5 для протекания жидкого теплоносителя.

Корпус 1 выполнен из вспененного материала, например пенополиуретана или пеностекла, в форме прямоугольного контура, охваченного несущей рамой 6 П-образного профиля из металла или стеклопластика. В корпусе 1 с обеих его торцевых сторон установлены фиксирующие решетки 7, изготовленные из композитной сетки или просечно-вытяжного листа.

Прозрачное ограждение 2, например, из сотового поликарбоната размещено поверх решеток 7 на боковых защелках П-образных профилей рамы 6 (вспомогательные защелки и крепежные элементы на чертеже не показаны).

Рама 6 и прозрачное ограждение 2 с торцевых сторон охвачены двумя защитными крышками 8, выполненными из металла или стеклопластика с зеркальной внутренней поверхностью, образованной, например, блестящей самоклеющейся пленкой. Абсорбер 3 изготовлен из теплоаккумулирующего материала, обладающего фазовым переходом плавления и оптическими свойствами «серого тела» и расфасован по герметичным термостойким пакетам 9 из эластичной прозрачной пленки, например тетрафторопласта, которыми обложены трубки теплообменника еще в расплавленном состоянии теплоаккумулирующего материала, в качестве которого может использоваться стеарин с химически однородным жирорастворимым красителем, в частности гудроном или свечным F черный Black С в количестве 1-3% объема. Материал предложен по результатам проведения натурных экспериментов.

Прозрачное ограждение 2 оказывается при этом зажатым между внешними П-образными профилями рамы 6, крышками 8 и фиксирующими решетками 7, свободные ячейки которых компенсируют тепловые расширения пакетов 9.

Такая сотовая конструкция надежно защищает внутренний объем от попадания в него влаги и пыли из окружающей среды, даже с открытыми крышками, так как пакетное секционирование обеспечивает антивандальную стойкость и работоспособность в случае локального повреждения прозрачного ограждения 2 и одного из пакетов 9. Торцевые П-образные профили рамы 6 снабжены съемными петлями 10, транспортными ручками 11, а в рабочем положении служат опорой для стержневых элементов крепления 12, которые обеспечивают различные варианты установки предлагаемого коллектора (фиг. 2, 3).

При этом абсорбер 3 должен обладать оптическими свойствами «серого тела», то есть при толщине слоя 8-10 мм быть частично прозрачным как защитное стекло сварщика, поглощать солнечное излучение практически по всему объему теплоаккумулирующего материала и давать мощность Е инфракрасного переизлучения гораздо ниже, чем «абсолютно черное тело» с такой же температурой поверхности и длиной волны максимума - λ_max. Предложенный материал обеспечивает необходимые оптические свойства как до, так и после фазового перехода.

Описываемый коллектор работает следующим образом.

В походном варианте (фиг. 2) открытые и закрепленные на стержневых элементах 12 защитные крышки 8 своей зеркальной внутренней поверхностью отражают солнечный свет на обе торцевые пластины прозрачного ограждения 2, параллельные плоскости эклиптики, что обеспечивает 2-х кратное увеличение мощности солнечного облучения по сравнению с односторонней ориентацией на солнечный свет у прототипа. При помощи крепежных стержней 12 зеркальные поверхности защитных крышек 8 в открытом положении установлены на петлях под углом 45-50 градусов относительно плоскости симметрии коллектора, параллельной плоскости эклиптики. Благодаря этому солнечные лучи, проходя через прозрачное ограждение 2 и свободные ячейки фиксирующих решеток 7, проникают глубоко вглубь абсорбера 3 и поглощаются им, в результате чего весь объем абсорбера 3 равномерно нагревается, а не только слои, близкие к поверхности. При этом через присоединительные патрубки 5 в коллектор поступает жидкий теплоноситель, который, проходя по трубкам теплообменника 4, размещенным в плоскости симметрии коллектора О-О', отводит тепло от абсорбера 3 и направляется во внешнюю емкость (не показана), где полученное тепло утилизируется одним из известных способов. Например, в роли утилизирующей емкости может быть использован бак, из которого тепло отводится потребителям горячей воды, а охлажденная вода возвращается в коллектор. Другим примером емкости-утилизатора может служить плавательный бассейн, где температура обычно поддерживается на довольно высоком уровне.

Предлагаемый коллектор без жидкого теплоносителя может использоваться ночью и для нагрева воздуха в палатке или ином помещении после предварительного разогрева под солнечным светом и расплавления теплоаккумулирующего вещества герметичных пакетов 9 в дневное время и последующего съема с петель защитных крышек 8 и панелей прозрачного ограждения 2, чтобы они не препятствовали конвекционному охлаждению теплоаккумулирующего материала.

В стационарном варианте (фиг. 3) предлагаемый коллектор может обеспечить и 3-кратное увеличении мощности солнечного излучения за счет одновременного направления отраженного плоскими зеркальными крышками 8 солнечного света на заднюю торцевую сторону коллектора, у которого передняя сторона находится под прямым солнечным излучением, благодаря соответствующей конфигурации крепления стержневых элементов 12 в форме геометрически жесткого набора треугольников.

Поэтому энергетическая эффективность такого коллектора получается как у более дорогих и сложных трубчато-вакуумных коллекторов с параболическими зеркальными концентратами, так как теплоаккумулирующий материал в пакетах 9 оперативно сглаживает пульсации нагрева, обусловленные переменной облачностью и временной стагнацией теплоносителя, а объединение функций абсорбера и теплоаккумулятора позволяет существенно упростить технологию изготовления коллектора при одновременном повышении его надежности и К.П.Д с небольшим количеством исходных деталей и удобной транспортабельной формой, что существенно облегчает модернизацию существующего производства плоских солнечных коллекторов.

Изобретение относится к гелиотехнике. Многофункциональный солнечный коллектор-аккумулятор содержит корпус из теплоизолирующего материала, торцевое прозрачное ограждение, трубки теплоносителя, обложенные герметичными пакетами из эластичной прозрачной пленки, заполненными объемным абсорбером из теплоаккумулирующего материала, обладающего фазовым переходом плавления и оптическими свойствами серого тела, с обеих сторон пакетов закреплены фиксирующие решетки, прижатые двумя съемными пластинами прозрачного ограждения, прикрытыми откидными защитными крышками с внутренней зеркальной поверхностью, которые при помощи съемных петель установлены на П-образных профилях прямоугольной рамы, снабженной защелками и элементами крепления зеркальных концентраторов, образованных из открытых защитных крышек, которые в открытом положении коллектора установлены на петлях под углом 45-50 градусов относительно плоскости симметрии коллектора, которая ориентирована параллельно плоскости эклиптики, при этом теплоаккумулирующий материал с фазовым переходом плавления состоит из стеарина с добавлением черного жирорастворимого красителя типа гудрона или свечного F черный Black С. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многофункциональный солнечный коллектор-аккумулятор, содержащий корпус из теплоизолирующего материала, с боковых сторон охваченный внешними П-образными профилями, абсорбер с трубками теплообменника и присоединительными патрубками для протекания жидкого теплоносителя, а также торцевое прозрачное ограждение с защитными крышками, отличающийся тем, что трубки теплоносителя обложены герметичными пакетами из эластичной прозрачной пленки, заполненными объемным абсорбером из теплоаккумулирующего материала, обладающего фазовым переходом плавления и оптическими свойствами серого тела, с обеих торцевых сторон этих пакетов закреплены фиксирующие решетки, прижатые двумя съемными пластинами прозрачного ограждения, прикрытыми откидными защитными крышками с внутренней зеркальной поверхностью, которые при помощи съемных петель установлены на П-образных профилях прямоугольной рамы, снабженной защелками и элементами крепления зеркальных концентраторов из открытых защитных крышек.

2. Солнечный коллектор по п. 1, отличающийся тем, что защитные крышки при помощи крепежных стержней в открытом положении установлены на петлях под углом 45-50 градусов относительно плоскости симметрии коллектора, которая ориентирована параллельно плоскости эклиптики.

3. Солнечный коллектор по п. 1, отличающийся тем, что защитные крышки при помощи крепежных стержней, расположенных в геометрически жесткой конфигурации треугольников, в открытом положении отражают солнечный свет на заднюю торцевую панель прозрачного ограждения, тогда как его передняя панель находится под прямым солнечным излучением.

4. Солнечный коллектор по п. 1, отличающийся тем, что теплоаккумулирующий материал с фазовым переходом плавления состоит из стеарина с добавлением черного жирорастворимого красителя типа гудрона или свечного F черный Black С.