Арктический цилиндрический вакуумный солнечный коллектор Российский патент 2023 года по МПК F24S10/40 F24S10/80 

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 солнечным коллекторам с тепловой трубкой “Heat Pipe” или с прямоточным тепловым каналом, конкретно к трубчатым вакуумным коллекторам с узлом внутриобъемного теплопоглощения, конкретно для эксплуатации в Арктической климатической зоне.

Известно, что Арктическая климатическая зона обладает нижеприведенными особенностями:

1. Отсутствием до 3 месяцев солнечного света – «Полярная ночь.

2. Круглосуточным до 3 месяцев солнечным освещением – «Белые ночи».

3. Резким изменением скорости до ураганного свыше 15 м/с, и направления ветра в течение короткого времени, час и менее, возникающих из-за взаимодействия температур «вечной мерзлоты» и нагретых солнечными лучами воздушных слоев.

4. Сопутствующими к п. 3 осадками в виде дождя, снега и града.

Известны солнечные коллекторы содержащие установленную в вакуумную стеклянную трубу с узлом теплопоглощения с тепловым каналом: осевую трубку “Heat Pipe” или трубку прямоточный тепловой канал и с плоской или закругленной теплопоглощающей пластиной с высокоселективным покрытием контактирующей с трубками “Heat Pipe” или прямоточной тепловой трубкой.

«Солнечный вакуумный коллектор – классификация», 2012. SOLAR SOUL.net. Недостатками известных коллекторов является то, что абсорбирующие поверхности круглой формы тепловых трубок и плоские теплопоглощающих пластин обеспечивают оптический КПД "η" не более 20%, а установка под углом 20 град в Арктической климатический зоне многократно повышает риск получения трещин вакуумной трубы от града и эксплуатационных расходов по очистке от пыли и осадков и вследствие эксплуатация известного солнечного коллектора в Арктической климатической зоне неэффективна.

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

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

Недостатком данного солнечного коллектора является то, что солнечный коллектор по мощности набирается увеличением количества светопрозрачных вакуумных трубок с мощностью не превышающих 150 Вт усложняющее конструкцию и повышение финансовых и эксплуатационные расходы вследствие чего эксплуатация в Арктической климатической зоне нецелесообразна.

Увеличение количества трубок требует введения коллектору для работы в Арктической климатической зоне дополнительных механизмов: обеспечения перпендикулярного ориентирования плоскости коллектора к лучам солнца в течение 24 ч во время «Белых ночей» и устройства по защите от шквальных порывов ветра, превышающих расчетные коэффициенты запаса прочности, по которым сконструирован коллектор, приводящих к тому, что эксплуатация выше приведенных известных и наиболее близкого солнечных коллекторов в Арктической зоне неэффективна.

Целью изобретения является повышение мощности и надежности, финансовых и эксплуатационных расходов, а также обеспечение работы в Арктической климатической зоне.

Указанные цели достигаются тем, что в арктическом вертикальном цилиндрическом вакуумном трубчатом солнечном коллекторе, содержащем узел внутриобъемного теплопоглощения с покрытой высокоселективной краской проволочной «путанкой», обернутой вокруг трубок прямоточного теплового канала, установленного в светопрозрачную цилиндрическую трубу, согласно изобретению светопрозрачная цилиндрическая труба закрыта верхним – для горячего жидкого теплоносителя, и нижним – для холодного жидкого теплоносителя, дискообразными баками, сообщающимися между собой параллельными трубками прямоточного теплового канала, покрытыми высокоселективной краской, размещенными по концентричным радиальным окружностям вокруг осевой тепловой трубки, соосной оси светопрозрачной цилиндрической трубы, и узлу внутриобъемного теплопоглощения солнечного света, состоящему из проволочной «путанки», размещенной между трубками теплового канала, и ограниченному обволакивающей «путанкой» внешнего радиального круга трубок прямоточного теплового канала.

Солнечный коллектор состоит из светопрозрачной цилиндрической трубы 1 с торцевыми дискообразными цилиндрическими баками: верхним 2 - для нагретой жидкости, и нижним 3 – для охлажденной жидкости, с наружными трубками 4 отвода и 5 подвода жидкого теплоносителя 6 к системе и из системы отопления.

Трубки 7 прямоточного теплового канала установлены по концентричным радиальным окружностям параллельно друг другу и вокруг осевой тепловой трубки, соосной оси светопрозрачной цилиндрической трубы 1 и узлу 10 внутриобъемного теплопоглощения солнечного света, и каждая трубка 7 сообщается с полостями верхнего и нижнего резервуаров 2 и 3.

В промежутки между трубками 7 вставлена проволочная «путанка» 8.

Трубки 7 внешнего радиального концентричного круга обернуты проволочной «путанкой» 8.

Поверхности трубок 7 и проволочной «путанки» 8 покрыты высокоселективным покрытием 9.

Узел объемного теплопоглощения 10 (на рис. обозначен пунктирной линией) заключен между внешним слоем проволоки «путанки» 8 с тепловыми трубками 7 и «путанкой» 8, размещенной в их промежутках.

На Рис. 1 изображен вертикальный разрез солнечного коллектора;

на Рис. 2 - сечение горизонтальное А-А.

Солнечный коллектор работает следующим образом.

1. Солнечный свет проходит через светопрозрачную стенку цилиндрической трубы 1, попадает в полость узла внутриобъемного поглощения 10 на теплопоглощающее покрытие 9 «путанки» 8, обернутой вокруг внешнего концентричного круга тепловых трубок 7, а часть непосредственно на поверхность тепловых трубок 7, преобразуется в тепло и передается жидкому теплоносителю 6.

2. Солнечный свет, прошедший через промежутки проволоки «путанки» 8 узла внутриобъемного теплопоглощения 10 и отраженный от поверхности трубок 7 первого внешнего ряда, попадает на поверхность последующих трубок 7 и проволоки «путанки» 8 внутреннего объема покрытых высокоселективной краской 9.

3. Хаотично отраженный от поверхности проволоки «путанки» 8 и поверхности тепловых трубок 7 солнечный свет во внутреннем объеме узла 10, замкнутой внешними радиальными трубками 7, попадает повторно и далее на поверхности тепловых трубок 7 внутренних радиальных колец и проволоки «путанки» 8, вследствие которого происходит поглощение внутри объема ограниченного внешним радиальным кольцом тепловых трубок 7 и проволочной «путанкой» 8 одновременно оборачивающих тепловые трубки 7 внешнего радиального кольца и между трубками 7 внутренних колец тепловых трубок 7.

4. Охлажденный жидкостный теплоноситель 6 через трубку 5 проходит в полость дискового бака 3 и далее, нагреваясь от стенок тепловых трубок 7, проходит в верхний бак 2.

5. При наступлении «Белых ночей» не требуется механизм ориентирования солнечных лучей к оси осевой тепловой трубки в зависимости от суточного времени, т.к. цилиндрический вакуумная труба 1 обеспечивает доступ лучей солнца к узлу 10 при любом времени суток, т.е. доступна для попадания солнечных лучей на 360 град.

6. Цилиндрическая поверхность вакуумного светопрозрачного цилиндра 1 обеспечивает минимальные нагрузки от резких шквальных порывов ветра и не требует дополнительного предохранительного механизма.

7. При проведении сравнительных испытаний предлагаемого изобретения СОКОЛЛ-Ц-АРКТИКА с ПРОТОТИПОМ и с АНАЛОГОМ получены результаты, приведенные ниже.

8.

Таблица 1. Параметры «СОКОЛЛ-Ц-АРКТИКА», ПРОТОТИПА и АНАЛОГА.

№№ ПАРАМЕТРЫ АНАЛОГ ПРОТОТИП СОКОЛЛ-Ц 1 Размеры вакуумной трубы Д58 х Н1800 Д58 х Н1800 Д750 х Н1800 2 Размеры тепловых трубок Д20 х Н1800 Д20 х Н1800 Д20 х Н1800 3 Площадь узла теплопоглощения, Sтп одной тепловой трубки цилиндра 0,072 м² 0,072 м² 0,7 м² 4 Габаритные размеры и Sколл с 18 вакуумными Трубками 2 м х 2м
4 м² 2 м х 2 м
4 м² Д0,5 м х Н2,0 м
1 м² 5 Площадь теплопоглощения Sтп коллектора 1,3 м² 1,3 м² 1,4 м² 6 Угол наклона коллектора 20 град с 0 до 90 град с 0 до 90 град 7 Интенсивность солнечного
света на м², ИСС 5 кВт/м² 5 кВт/м² 5 кВт/м² 8 Оптический к.п.д. 0,25 0,35 0,4 9 Тепловая мощность вакуумной трубки/ЦИЛИНДРА 75 Вт 110 Вт 2,8 кВт 10 Мощность 18 трубчатого солнечного коллектора 1,35 кВт 2,0 кВт 2,8 кВт 11 Механизм поворота коллектора да да нет 12 Предохранительный механизм от перегрузок да да да

Площади теплопоглощения Sтп строка 3 Таблицы 1 рассчитаны по максимальной ширине узла теплопоглощения для одинарной вакуумной трубки и равны: АНАЛОГА 40 мм; узла внутриобъемного теплопоглощения ПРОТОТИПА 40 мм и узла внутриобъемного теплопоглощения предлагаемого изобретения СОКОЛЛ-Ц-АРКТИКА в 700 мм при Д800 мм цилиндра 1, перпендикулярное к направлению солнечных лучей.

В солнечном коллекторе за счет внутриобъемного поглощения солнечных лучей в узле 10 внутриобъемного теплопоглощения прошедших в его полость ограниченной обернутой вокруг тепловых трубок 7 «проволочной путанкой» 8 и отраженного отражателем-концентратором в узел 10 внутриобъемного теплопоглощения лучей солнца.

1. Повышается оптический КПД "η" не менее чем до 40% и, соответственно, мощность.

2. Обеспечивается повышение надежности и снижение эксплуатационных расходов за счет вертикальной установки, что уменьшает не менее чем в четыре (4) раза занимаемую площадь и снижает эксплуатационные расходы в результате устранения вероятности разгерметизации из-за появления трещин от воздействия града и накопления осадков и пыли на поверхности светопрозрачного цилиндра 1.

3. Снижается себестоимость изготовления за счет уменьшения количества вакуумных трубок с 18 шт., стандартнее количество для АНАЛОГОВ и ПРОТОТИПА, до одного вакуумного цилиндра 1, т.е. количество узлов герметизации уменьшается с 36 до 2 у предлагаемого изобретения.

4. Размещение узла «внутриобъемного теплопоглощения» с трубками теплового канала, концентрично расположенными вокруг осевой тепловой трубки с вставленным в промежутки тепловых трубок и обернутым вокруг внешнего круга проволочной «путанки» внутри светопрозрачного цилиндра устраняет дополнительную комплектацию механизмом поворота для обеспечения перпендикулярности лучей солнца в течение 24 ч, т.е. во время «Белых ночей Арктической климатической зоны.

5. Наименование «СОКОЛЛ – Ц - АРКТИКА» Солнечных вакуумных солнечных коллекторов на основе предлагаемого изобретения составлен из 2 (двух) первых букв слова «СОлнечный», 4 (четырех) первых букв слова «КОЛЛектор» и первой буквы слова «Цилиндр» и климатической зоны эксплуатации «АРКТИКА».

Арктический вертикальный трубчатый вакуумный солнечный коллектор относится к гелиотехнике и может быть использован в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева жидкого теплоносителя. Арктический вертикальный цилиндрический вакуумный трубчатый солнечный коллектор с узлом внутриобъемного теплопоглощения с покрытой высокоселективной краской проволочной «путанкой», обернутой вокруг трубок прямоточного теплового канала, установленного в светопрозрачную цилиндрическую трубу, причем последняя закрыта верхним – для горячего жидкого теплоносителя, и нижним – для холодного жидкого теплоносителя, дискообразными баками, сообщающимися между собой параллельными трубками прямоточного теплового канала, покрытыми высокоселективной краской, размещенными по концентричным радиальным окружностям вокруг осевой тепловой трубки, соосной оси светопрозрачной цилиндрической трубы, и узлу внутриобъемного теплопоглощения солнечного света, состоящего из проволочной «путанки», размещенной между трубками теплового канала, и ограниченного обволакивающей «путанкой» внешнего радиального круга трубок прямоточного теплового канала. Технический результат заключается в повышении оптического КПД и, соответственно, мощности и надежности. 2 ил., 1 табл.

Арктический вертикальный цилиндрический вакуумный трубчатый солнечный коллектор с узлом внутриобъемного теплопоглощения с покрытой высокоселективной краской проволочной «путанкой», обернутой вокруг трубок прямоточного теплового канала, установленного в светопрозрачную цилиндрическую трубу, отличающийся тем, что светопрозрачная цилиндрическая труба закрыта верхним – для горячего жидкого теплоносителя, и нижним – для холодного жидкого теплоносителя, дискообразными баками, сообщающимися между собой параллельными трубками прямоточного теплового канала, покрытыми высокоселективной краской, размещенными по концентричным радиальным окружностям вокруг осевой тепловой трубки, соосной оси светопрозрачной цилиндрической трубы и узлу внутриобъемного теплопоглощения солнечного света, состоящего из проволочной «путанки», размещенной между трубками теплового канала, и ограниченного обволакивающей «путанкой» внешнего радиального круга трубок прямоточного теплового канала.