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 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 узлами внутриобъемного теплопоглощения для эксплуатации в Арктической климатической зоне.

Известно что Арктическая климатическая зона обладает следующими 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 течении короткого времени, час и менее, возникающих из-за взаимодействия температур «вечной мерзлоты» и нагретых солнечными лучами воздушных слоев;

 Известны солнечные коллекторы содержащие одинарную» вакуумную трубку с осевой трубкой теплового канала для увеличения площади узла теплопоглощения на трубку теплового канала установлена плоская или закругленная теплопоглощающая пластина с высокоселективным покрытием.

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

 Недостатком известных коллекторов является то, что узел теплопоглощения с круглой формой абсорбирующей поверхности тепловых трубок и плоской - теплопоглощающих пластин обеспечивают оптический КПД "η₀" не более 20% и высокие эксплуатационные расходы по очистке поверхности вакуумных трубок от пыли, снега из-за наклонной его установки, а также аварийная остановка из-за трещин от воздействия града приводящие к тому, что эксплуатация выше приведенных известных солнечных коллекторов в Арктической климатической зоне неэффективна.

     Наиболее близким техническим решением является вакуумный трубчатый солнечный коллектор с узлом внутриобъемного поглощения состоящей из покрытых высокоселективной краской проволочной «путанкой обернутой вокруг тепловой трубы “Heat  Pipe” или трубок прямоточного теплового канала  соединенных с верхним – для подгретой и нижним – для охлажденного жидкого теплоносителя резервуарами.

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

  Недостаток известного солнечного коллектора в том, что коллектор с одинарной вакуумной трубкой будет иметь мощность не более 150 Вт и для увеличения мощности коллектора необходимо увеличение количества вакуумных трубок что соответственно увеличивает площадь коллектора и значит и сил опрокидывания от нагрузки ветра приводящих к поломке в следствии чего эксплуатация известного солнечного коллектора в Арктической климатической зоне неэффективна.

Целями изобретения являются повышение мощности, надежности, снижение эксплуатационных расходов и обеспечение эксплуатации в Арктической климатической зоне.

Указанные цели достигаются тем, что в солнечном коллекторе со светопрозрачными вакуумными трубками, содержащими узел внутриобъемного теплопоглощения с трубкой теплового канала, обернутой проволочной путанкой с высокоселективным покрытием, трубки теплового канала соединены с нижним и верхним резервуарами для жидкого теплоносителя, узел внутриобъемного теплопоглощения ограничен обернутой вокруг проволочной путанки мелкоячеистой сеткой с высокоселективным покрытием, а нижний резервуар коллектора имеет ось, направленную вниз, расположенную со смещением от центра и вставленную во втулку опорной рамы коллектора, во втулку свободно вставлена ведущая шестерня механизма поворота, две цилиндрические пружины связаны с ведущей шестерней механизма поворота, а другими концами - с нижним торцом нижнего резервуара коллектора по обе стороны его вертикальной оси.

Изобретение состоит из стеклянных вакуумных трубок 1 с узлами внутриобъемного теплопоглощения, ограниченными мелкоячеистой сеткой 2 и включающими покрытые высокоселективной краской 3 проволочной путанки 4, в которую обернута трубка 5 теплового канала с жидким теплоносителем 6.

Трубки 5 теплового канала вакуумных трубок 1 подсоединены к нижнему 7 для охлажденной жидкости, и верхнему 8 – для подогретой жидкости резервуарам, связанным с системой отопления.

Нижний резервуар 7 имеет направленную вниз ось 9, разделяющую резервуар 7 по длине на участки с разными длинами и свободно вставленную в вертикальную втулку 10 опорной рамы 11.

На втулку 9 свободно вставлена ведущая шестерня механизма поворота.

Цилиндрические пружины 13 и 14 прикреплены концами по обе стороны диагонально оси втулки 10 к шестерне и другими концами по обе стороны оси 9 к нижнему торцу резервуара 7.

Узел 2 внутриобъемного теплопоглощения ограничен мелкоячеистой медной сеткой с высокоселективным покрытием 3, обернутой вокруг проволочной путанки 4.

На Рис. 1 изображен общий вид солнечного коллектора; Рис. 2 - сечение А-А на рис.1.

Солнечный коллектор работает следующим образом.

Солнечный свет преобразуется в тепловую энергию в узле 2 внутриобъемного теплопоглощения «сетка - проволочная путанка 4 – трубка 5 теплового канала с высокоселективным покрытием 3» и передается жидкому теплоносителю 6.

В следствии разности плотности подогретого и охлажденного жидкого теплоносителя 6 он двигается из резервуара 7 через полости трубок 5 теплового канала к верхнему 8 резервуару и далее в систему отопления и отдав тепло возвращается к нижнему резервуару 7.

Механизм поворота и обеспечения перпендикулярности солнечных лучей к солнечному коллектору состоит из ведущей шестерни и двух пружин 13 и 14, прикрепленных концами одновременно к шестерне и нижнему резервуару 7 по разные стороны от его оси 9 и обеспечивает вращение солнечного коллектора соответственно перемещению Солнца.

При усилении скорости ветра или шквала выше расчетных согласно коэффициенту запаса прочности возникающая разность давления ветра на поверхность солнечного коллектора в следствии разности длин резервуара 7, разделенного его вертикальной осью 9, обеспечивается поворот солнечного коллектора вокруг оси 9 под воздействием ветра, преодолевая сопротивление пружин 13 и 14.

При снижении скорости ветра, солнечный коллектор под воздействием пружин 13 и 14 возвращается в прежнее положение.

При расчете сравнительных параметров площади теплопоглощения Sтп строка 3 Таблицы 1 приняты по максимальной ширине узла теплопоглощения для: АНАЛОГА 40 мм; узла внутриобъемного теплопоглощения ПРОТОТИПА 40 мм и узла внутриобъемного теплопоглощения предлагаемого изобретения СОКОЛЛ-Т-АРКТИКА в 45 мм в плоскости по оси тепловой трубки 6 перпендикулярное к направлению солнечных лучей.

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

№№ ПАРАМЕТРЫ АНАЛОГ ПРОТОТИП СОКОЛЛ-Т-АРКТИКА 1 Размеры вакуумных трубок Д58 х Н1800 Д58 х Н1800 Д58 х Н1800 2 Размеры тепловых трубок Д20 х Н1800 Д20 х Н1800 Д20 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 коллектора с 18 вакуумными трубками и с габаритными Размерами: Ш 2м х В 2.х Т 0,15 м 1,6 м2 0,3 м2 0,3 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

Наименование «СОКОЛЛ-Т-АРКТИКА»  солнечных вакуумных коллекторов на основе изобретения  составлен: из 2 (двух) первых букв слова «СОлнечный»; 4 (четырех) первых слова «КОЛЛектор», первой буквы «Т»рубчатый и «АРКТИКА» - климатичекая зона эксплутации.

Таким образом, изобретения обеспечивает повышение мощности за счет повышения оптического коэффициента до 40% и круглосуточного обеспечения перпендикулярности коллектора к солнечным лучам в период «Белых ночей» Арктической климатической зоны, а механизм поворота и защиты от колебаний скорости ветра, превышающей расчетные изобретения, повышает надежность и снижает эксплуатационные расходы.

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева жидкого теплоносителя, а именно к солнечным коллекторам с вакуумными стеклянными трубками, конкретно к солнечным коллекторам с узлами внутриобъемного теплопоглощения. Солнечный коллектор со светопрозрачными вакуумными трубками, содержащими узел внутриобъемного теплопоглощения с трубкой теплового канала, обернутой проволочной путанкой с высокоселективным покрытием, согласно изобретению трубки теплового канала соединены с нижним и верхним резервуарами для жидкого теплоносителя, узел внутриобъемного теплопоглощения ограничен обернутой вокруг проволочной путанки мелкоячеистой сеткой с высокоселективным покрытием, а нижний резервуар коллектора имеет ось, направленную вниз, расположенную со смещением от центра и вставленную во втулку опорной рамы коллектора, во втулку свободно вставлена ведущая шестерня механизма поворота, две цилиндрические пружины связаны с ведущей шестерней механизма поворота, а другими концами - с нижним торцом нижнего резервуара коллектора по обе стороны его вертикальной оси. Изобретение обеспечивает повышение мощности, надежности и снижает эксплуатационные расходы. 2 ил., 1 табл.

Солнечный коллектор со светопрозрачными вакуумными трубками, содержащими узел внутриобъемного теплопоглощения с трубкой теплового канала, обернутой проволочной путанкой с высокоселективным покрытием, отличающийся тем, что трубки теплового канала соединены с нижним и верхним резервуарами для жидкого теплоносителя, узел внутриобъемного теплопоглощения ограничен обернутой вокруг проволочной путанки мелкоячеистой сеткой с высокоселективным покрытием, а нижний резервуар коллектора имеет ось, направленную вниз, расположенную со смещением от центра и вставленную во втулку опорной рамы коллектора, во втулку свободно вставлена ведущая шестерня механизма поворота, две цилиндрические пружины связаны с ведущей шестерней механизма поворота, а другими концами - с нижним торцом нижнего резервуара коллектора по обе стороны его вертикальной оси.