Солнечный коллектор с концентратором солнечного излучения Российский патент 2023 года по МПК F24S10/40 F24S10/75 

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в устройствах преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева жидкого теплоносителя, а именно к вакуумным с коаксиальными или «перьевыми» одинарными стеклянными трубками солнечным коллекторам с тепловой трубкой “Heat Pipe” или с прямоточным тепловым каналом дополнительными деталями узла теплопоглощения в виде пластин , конкретно к солнечным коллекторам с узлам внутриобъемного теплопоглощения

Известны солнечные коллекторы содержащие коаксиальную или одинарную – «перьевую» вакуумную трубку с тепловым стержнем «Heat Pipe». Внутри прозрачной вакуумной трубки установлена плоская или закругленная теплопоглощающая пластина с высокоселективным покрытием контактирующая с тепловой трубкой.

«Солнечный вакуумный коллектор – классификация», 2012. SOLAR SOUL.net 

 Недостатком известных коллекторов является то, что круглая форма абсорбирующей поверхности тепловых трубок и плоские теплопоглощающих пластин обеспечивают оптический КПД "η" не более 30%.

С целью снижения отражения солнечных лучей солнечные коллекторы устанавливаются с наклоном около 20 град., что приводит к снижению надежности, вследствие воздействия осадков или полной потери работоспособности при граде, а также к большим размерам занимаемой площади.

Наиболее близким техническим решением является вакуумный трубчатый солнечный коллектор с покрытым теплопоглощающим покрытием проволочной «путанкой», обернутой вокруг тепловой трубки “Heat  Pipe” или трубок прямоточного теплового канала с тепловой трубкой 2 передается ей. 

Патент Украины на полезную модель «Солнечный  коллектор» № 103462, 2017 

Недостатком данного солнечного коллектора является вероятность контакта при нагреве «путанки» в процессе эксплуатации и в результате линейного расширения проволоки, с  поверхностью стеклянной трубки и передача преобразованной солнечной энергии к стеклянной трубке приводящее к снижению тепловой мощности.

Целью предлагаемого изобретения является повышение мощности и надежности.

Указанная  цель достигается тем, что в солнечном вакуумном коллекторе с коаксиальной вакуумной трубкой, содержащей трубку теплового канала, согласно изобретению, трубка теплового канала обернута проволокой, причем трубка и проволока покрыты высокоселективным покрытием, проволока навита не менее чем в два слоя и с зазором между витками не менее чем в два диаметра проволоки, концы которой припаяны к противоположным концам трубки теплового канала, при этом солнечный коллектор снабжен внешним полукруглым концентратором солнечных лучей, установленным с зазором и параллельно к вакуумной трубке, выполненным с большим диаметром, чем вакуумная трубка и снабженным торцевым зубчатым венцом, вставленным в механизм его поворота и фиксации относительно положения солнца независимо от вакуумной трубки.

Солнечный вакуумный коллектор состоит из стеклянной вакуумной трубки 1 с трубкой 2 теплового канала покрытый высокоселективным покрытием 3 и жидким теплоносителем 4 и навитой на трубку 2 не менее чем в два слоя с зазором между витками не менее чем в два диаметра проволоки 5 с высокоселективным покрытием 3 и концами припаянными к противоположным концам трубки 2, а также внешнего параллельного к трубке 1 полукруглого отражателя-концентратора 6 солнечных лучей с механизмом 7 его фиксации относительно положения солнца с введенным в контакт с ним зубчатым венцом 8..

На: Рис. 1 Поперечное сечение предполагаемого изобретения А-А ;

Рис. 2 Сечение по оси трубки 2 теплового канала Б-Б.

Солнечный вакуумный коллектор работает следующим образом. 

1. Солнечный  излучение  проходит через стенку вакуумной трубки 1 и попадает на высокоселективное  покрытия 3 первого слоя витков проволоки 5,часть отражается и попадает на поверхности соседних витков проволоки 5, а часть прошедшая через слои витков проволоки 5 попадает не посредственно на высокоселективное покрытие 3 тепловых трубок 2.

2. Солнечное излучение преобразованное в тепло от нагретой проволока 5 от его внутреннего витка контактирующего с тепловой трубкой 2 передается тепловой трубке 2 и через него к жидкому теплоносителю 4.

3. Солнечное излучение прошедшее через зазоры между поверхностью внешнего витка проволоки 5 и внутренней стенки вакуумной трубы 1 отражается обратно в вакуумную трубку 1 концентратором 6 и контактирует с теневой стороной витков проволоки 5 и тепловой трубки.

4. Диаметр концентратора 6 больше чем диаметр вакуумной трубы 1 в связи чем солнечное излучение не контактирующее с поверхностью вакуумной трубы 1 попадает

на поверхность концентратора и отражается в сторону центра вакуумной трубы 1 и контактирует с теневой стороной витков проволоки 5 и тепловой трубки.

5. Поворотный механизм 7 фиксации концентратора 6 относительно положения солнца обеспечивает поворот относительно положения солнца в 12 ч./полдень 1 +/- 30 град через зубчатый венец 8.

В солнечном вакуумном коллекторе:

1. Площадь узла объемного теплопоглощения/Sтп СОКОЛЛ-К при внутреннем диаметре 50 мм вакуумной трубки 1 и внешнем диаметре узла внутриобъемного теплопоглощения ограниченная верхним слоем навитой проволоки 5 будет равна 45 мм, а расчетная Площадь теплопоглощения Sтп :

Sтп = Д топ х Н тр. = 0,045 м х 1,8 м = 0,8 м²;

2. Sтоп ПРОТОТИПА предлагаемого изобретения СОКОЛЛ-К при внутреннем диаметре 50 мм вакуумной трубки 1 и внешнем диаметре узла внутриобъемного теплопоглощения ограниченная верхними проволоками «путанки» будет равна 40 мм, а расчетная площадь теплопоглощения Sтп :

Sтп = Д топ х Н тр. = 0,04 м х 1,8 м = 0,72 м²;

3. Sтоп АНАЛОГА с высотой 1,8 м вакуумной трубки с внутренним диаметром 0,05 м и с узлом теплопоглощения с тепловой трубкой Д0,02 м с внешней пластиной шириной 40 мм с высокоселективным покрытием будет равна: Sтп = Д топ х Н тр. = 0,04 м х 1,8 м = 0,72 м².

Таблица 1. Сравнительные параметры «СОКОЛЛ-КОНЦЕНТРАТОР» с  ПРОТОТИПОМ и АНАЛОГОМ

№№ ПАРАМЕТРЫ АНАЛОГ ПРОТОТИП СОКОЛЛ-К 1 Размеры вакуумных трубок Д58 х Н1800 Д58 х Н1800 Д58 х Н1800 2 Размеры тепловых трубок Д58 х Н1800 Д58 х Н1800 Д58 х Н1800 3 Площадь теплопоглощения,  Sтп 0,072 м² 0,072 м² 0,08 м² 4 Угол наклона коллектора 20 град 0 град 0 град 5 Занимаемая площадь 0,04 м² 0,01 м² 0,01 м² 6 Интенсивность солнечного
света на м2, ИСС 5 кВт/м² 5 кВт/м2 5 кВт/м² 7 Оптический к.п.д. 0,2 0,3 0,40 8 Тепловая мощность вакуумной трубки 75 Вт 110 Вт 160 Вт 9 Мощность 18 трубчатого солнечного коллектора 1,35 кВт 2,0 кВт 2.88 кВт

Площади теплопоглощения Sтп строка 3 Таблицы 1 рассчитаны по максимальной ширине узлов теплопоглощения перпендикулярных к направлению солнечных лучей.

Таким образом преимущества предполагаемого изобретения перед аналогом и прототипом очевидны и обеспечивает повышение мощности и надежности за счет:

• Увеличением площади узла теплопоглощения на 12% навитой на тепловую трубку 2 слоями проволоки 5;

• Отражение дополнительного солнечного излучения и введения в режим тепло поглощения теневую сторону узла теплопоглощения тепловая трубка 2 – витки проволоки 5 концентратором 6;

• За счет обеспечения ориентации концентратора 6 солнечных лучей с 6 ч до 15 ч без поворота коллектора.

Наименование «СОКОЛЛ-К»  солнечного вакуумного коллектора составлено из 2 (двух) первых букв слова «СОлнечный», 4 (четырех) первых букв слова «КОЛЛектор» и первой буквы «Концентратор» модификация.

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева жидкого теплоносителя. Солнечный вакуумный коллектор с коаксиальной вакуумной трубкой, содержащей трубку теплового канала, обернутую проволокой, причем трубка и проволока покрыты высокоселективным покрытием, проволока навита не менее чем в два слоя и с зазором между витками не менее чем в два диаметра проволоки, концы которой припаяны к противоположным концам трубки теплового канала, при этом солнечный коллектор снабжен внешним полукруглым концентратором солнечных лучей, установленным с зазором и параллельно к вакуумной трубке, выполненным с большим диаметром, чем вакуумная трубка и снабженным торцевым зубчатым венцом, вставленным в механизм его поворота и фиксации относительно положения солнца независимо от вакуумной трубки. Изобретение обеспечивает повышение мощности и надежности за счет повышения оптического КПД. 2 ил., 1 табл.

Солнечный вакуумный коллектор с коаксиальной вакуумной трубкой, содержащей трубку теплового канала, отличающийся тем, что трубка теплового канала обернута проволокой, причем трубка и проволока покрыты высокоселективным покрытием, проволока навита не менее чем в два слоя и с зазором между витками не менее чем в два диаметра проволоки, концы которой припаяны к противоположным концам трубки теплового канала, при этом солнечный коллектор снабжен внешним полукруглым концентратором солнечных лучей, установленным с зазором и параллельно к вакуумной трубке, выполненным с большим диаметром, чем вакуумная трубка и снабженным торцевым зубчатым венцом, вставленным в механизм его поворота и фиксации относительно положения солнца независимо от вакуумной трубки.