Устройство для преобразования солнечной энергии в тепло Российский патент 2024 года по МПК F24S20/69 F24S10/50 E04D13/18 

Техническое решение относится к панели кровельного покрытия и плоским солнечным коллекторам, используемым для накопления солнечной энергии, применяемой, в частности, для нагрева воды.

Известна кровля скатной крыши здания, используемая как устройство для нагрева воды солнечной энергией. Кровля выполнена в виде резервуара по форме и по размерам скатной крыши здания и состоит из кровельных модулей, изготовленных из стеклопластика, которые соединяются между собой при помощи соединительных элементов. Кровля содержит заправочный штуцер для закачки воды в собранный из кровельных модулей резервуар, в котором она распределяется по кровельным модулям. Патент в РФ № 199621, опубликован 09.09.2020.

Известна фотоэлектрическая битумная черепица, представляющая собой фотоэлектрическую асфальтовую кровельную плитку, которая состоит из битумной основы, прикрепленной к фотоэлектрическому модулю, причем битумная основа состоит из битумного слоя с опорой из стеклянной пленки, пропитанной окисленным битумом и битумной самоклеющейся мастикой; а фотоэлектрический модуль содержит, по меньшей мере, один солнечный элемент из аморфного кремния с тремя переходами и электрические соединительные средства. Патент в РФ № 2493338, опубликован 20.09.2013.

Известно устройство энергоснабжения, содержащее несколько выполненных в виде кровельной черепицы энергетических панелей, которые покрывают часть здания, и каждая из которых содержит служащий для поглощения солнечной энергии энергетический модуль, соединенный с линией электроснабжения. На одной из наружных сторон здания предусмотрен по меньшей мере один металлический трубопровод, на котором установлены энергетические панели, которые механически и термически соединены с трубопроводом, в котором предусмотрены служащий для размещения линии электроснабжения кабельный канал и по меньшей мере один канал для прохождения жидкой теплопередающей среды, с помощью которой тепловая энергия передается от энергетической панели к потребителю тепловой энергии. Патент в РФ № 2464670, опубликован 20.10.2012.

Известен солнечный тепловой коллектор для отвода тепла от солнечной фотовольтаической панели, содержащий параллельные каналы для прохода теплоносителя, вход и выход теплоносителя. Корпус коллектора выполнен из теплоизоляционного материала, при этом роль крышки корпуса коллектора выполняет горячая поверхность электрической солнечной панели, прилегающая к параллельным каналам с теплоносителем. Патент в РФ № 210191, опубликован 31.03.2022.

Существующие конструкции солнечных коллекторов характеризуются передачей теплоты от тепловоспринимающей поверхности к теплоносителю, текущему в трубках, при этом, трубки с теплоносителем соединены с тепловоспринимающей поверхностью, как правило, паяным соединением.

Теплопроводность паяных соединений в значительной степени определяется теплопроводностью припоя, особенно при его слабом химическом сродстве с паяемым металлом. В случае образования между ними твердых растворов, теплопроводность паяных соединений может снижаться по сравнению с теплопроводностью припоя, при этом, следует отметить, что теплопроводность припоев и паяных соединений является важным параметром для передачи теплоты от нагретой тепловоспринимающей поверхности к теплоносителю, то есть интенсивный теплообмен служит определяющей характеристикой эффективности работы солнечного коллектора, а наличие паяного соединения снижает КПД солнечного коллектора, так как имеет коэффициент теплопроводности отличный от металла трубок и тепловоспринимающей поверхности.

Учитывая, что спектральная плотность излучения тела зависит только от температуры данного тела, повышая эффективность теплопередачи от тепловоспринимающей поверхности к теплоносителю и ускоряя ее, снижается температура тепловоспринимающей поверхности, что, в свою очередь, уменьшает излучение как тепловоспринимающей поверхности, так и всей системы греющего кровельного покрытия (солнечной черепицы), что повышает эффективность всей системы.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении эффективности накопления тепловой энергии.

Повышение эффективности накопления тепловой энергии достигается, в частности, за счет возможности преобразования солнечной энергии в тепло в максимальном объеме, без существенных теплопотерь, связанных с передачей теплоты теплоносителю, а также за счет возможности сохранения в результате преобразования накопленной теплоты до ее дальнейшего использования для теплообмена с аккумулятором тепла.

Техническим результатом заявляемого технического решения также является обеспечение долговечности устройства.

Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для преобразования солнечной энергии в тепло, выполненное в виде панели, включает раму, в которой установлены лист стекла, и теплоизоляционный слой, и закрепленные между ними тепловоспринимающие листы, соединенные друг с другом с образованием каналов для циркуляции теплоносителя, при этом панель включает патрубки, связанные с каналами для входа и выхода теплоносителя, причем канал выполнен в форме фигуры, в поперечном сечении образованной боковыми сторонами и меньшими основаниями двух равнобедренных трапеций, сопряженных своими большими основаниями.

Выполнение устройства для преобразования солнечной энергии в тепло в виде панели, включающей раму, в которой установлены лист стекла и тепловоспринимающие листы, соединенные друг с другом с образованием каналов для циркуляции теплоносителя, обеспечивает максимальную передачу энергии солнечного излучения для нагрева теплоносителя с минимальными потерями тепла. За счет того, что стенками каналов являются сами тепловоспринимающие листы, теплопередача осуществляется напрямую, таким образом, отсутствует фактор, влияющий на снижение температуры теплоносителя, связанный с теплопроводностью материала, через который осуществляется эта передача.

Лист стекла в описанной конструкции выполняет защитную, теплоизоляционную и светопропускную функцию.

Теплоизоляционный слой, установленный с обратной стороны тепловоспринимающих листов, обеспечивает теплоизоляцию каналов с теплоносителем, исключая дальнейшую передачу его тепла, позволяя, сохранить его в объеме панели или панелей, с последующей передачей для теплообмена с аккумулятором тепла.

Патрубки для входа и выхода теплоносителя обеспечивают циркуляцию нагретого теплоносителя для его последующего теплообмена с аккумулятором тепла.

Выполнение канала в форме фигуры, в поперечном сечении образованной боковыми сторонами и меньшими основаниями двух равнобедренных трапеций, сопряженных своими большими основаниями, обеспечивает свободное тепловое расширение и сжатие материала тепловоспринимающих листов (металла), что значительно уменьшает усталостные напряжения в конструкции и повышает запас прочности, а также обеспечивает оптимальный коэффициент теплопередачи от тепловоспринимающей поверхности к размещаемому в канале объему теплоносителя как в случае принудительной циркуляции, так и при конвективном теплообмене.

Предпочтительно, соотношение длин большего основания трапеции к меньшему основанию трапеции к высоте трапеции составляет - 6:3,2:1. Данные параметры были определены методами математического моделирования как обеспечивающие наиболее эффективную теплопередачу от тепловоспринимающих листов к теплоносителю, а также характеризующие конструкцию наибольшим запасом прочности и максимальным снижением усталостного напряжения, что обеспечивает долговечность изделия.

Заявленные каналы предпочтительно выполнены посредством штамповки тепловоспринимающих листов, а листы соединены между собой контактной сваркой. Такое соединение исключает теплопотери, связанные с теплопроводностью припоя, повышая эффективность нагрева теплоносителя, а также характеризует устройство долговечностью, обусловленной повышением надежности и герметичности контакта между листами.

Выполнение тепловоспринимающих листов из стали, за счет ее высокой теплопроводности, и вместе с тем прочности, необходимой для сохранения формы каналов и цельности конструкции, также способствует наиболее эффективному теплообмену с теплоносителем.

Предпочтительно выполнение панели площадью от 0,25 до 0,5 квадратных метров при использовании в качестве греющей черепицы и 2 квадратных метра для использования в плоском солнечном коллекторе. Выполнение тепловоспринимающей панели менее 0,25 квадратных метров при использовании в качестве греющей черепицы не обеспечит нагрев теплоносителя от солнечного излучения из-за малого расхода теплоносителя через панель. Выполнение панели более 0,5 квадратных метров при использовании в качестве греющей черепицы может быть неудобным для монтажа на крыше. Выполнение панели площадью 2 квадратных метра в качестве плоского солнечного коллектора обеспечит оптимальный нагрев воды для усредненных нужд.

Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигур, на которых представлен один из возможных вариантов его исполнения.

На фиг. 1 условно представлена схема работы плоского солнечного коллектора с описываемой тепловоспринимающей панелью для преобразования солнечной энергии в тепло и аккумулирования тепла в его помещении.

На фиг. 2 представлен вид сверху устройства для преобразования солнечной энергии в тепло.

На фиг. 3 представлен вид в разрезе А-А устройства для преобразования солнечной энергии в тепло.

На фиг. 4 представлен объемный вид устройства для преобразования солнечной энергии в тепло в разрезе.

Цифрами обозначены следующие элементы:

- панель (1);

- насос (2);

- аккумулятор (3) тепла;

- тепловоспринимающий лист (4);

- металлический лист (5);

- каналы (6) для циркуляции теплоносителя (8);

- патрубок (7) для входа теплоносителя (8);

- патрубок (9) для выхода теплоносителя (8);

- теплоизоляционный слой (10);

- лист (11) стекла.

Далее со ссылками на фигуры описан предпочтительный вариант осуществления заявленного технического решения.

Устройство для преобразования солнечной энергии в тепло выполнено в виде панели (1) кровельного покрытия или плоского солнечного коллектора включает раму, в которой установлены лист (11) стекла, и теплоизоляционный слой (1), и закрепленные между ними тепловоспринимающие листы (4), соединенные друг с другом с образованием каналов (6) для циркуляции теплоносителя (8).

Панель (1) включает патрубки (7), (9), связанные с каналами (6), для входа и выхода теплоносителя (8).

В предпочтительном варианте, что канал (6) выполнен в форме фигуры, в поперечном сечении образованной боковыми сторонами и меньшими основаниями двух равнобедренных трапеций, сопряженных своими большими основаниями. Соотношение длин большего основания трапеции к меньшему основанию трапеции к высоте трапеции предпочтительно составляет - 6:3,2:1.

Предпочтительно, тепловоспринимающие листы (4) соединены друг с другом контактной сваркой.

Панель (1) может также включать металлический лист (5), установленный в раме со стороны теплоизоляционного слоя (10).

Рама панели (1) может быть выполнена с пазами для размещения в них торцевых частей листа (11) стекла, теплоизоляционного слоя (10) и тепловоспринимающих поверхностей, и включает элементы в виде загибов для предотвращения контакта между листом стекла и тепловоспринимающими поверхностями, и между металлическим и теплоизоляционным слоями.

Рама и тепловоспринимающие листы могут быть выполнены из стали.

Предпочтительно панель выполнена с площадью от 0,25 до 0,5 квадратных метров. Предпочтительно выполнение панели площадью от 0,25 до 0,5 квадратных метров при использовании в качестве греющей черепицы и 2 квадратных метра для использования в плоском солнечном коллекторе.

Пример работы устройства для преобразования солнечной энергии в тепло представлен далее.

Тепловоспринимающая поверхность в составе плоского солнечного коллектора или греющей черепицы устанавливается на крышу здания и предпочтительно соединяется своими патрубками с аналогичными покрытиями.

Теплоноситель (8) с низкой температурой, например, посредством насоса (2), подается через патрубок (7) для входа теплоносителя (8) в канал (6) панели (1). Далее теплоноситель (8) проходит через все панели (1), являющиеся солнечными коллекторами, за счет которых нагревается, после чего выходит через патрубок (9) для выхода теплоносителя (8) и подается к аккумулятору (3) тепла, в частности, к резервуару с водой, теплообмен с которым обеспечивает нагрев воды в резервуаре. Тем временем, отдавший свое тепло в аналогичном цикле, теплоноситель (8) снова поступает через соответствующий патрубок (7) в панель кровельного покрытия для дальнейшей циркуляции.

Вода, нагретая солнцем, накапливается в резервуаре и далее используется в любой момент по необходимости.

Представленная панель (1) может быть использована в качестве солнечной греющей черепицы для эффективного нагрева воды в помещении.

Представленные фигуры, описание конструкции устройства для преобразования солнечной энергии в тепло и способ его использования не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.

Изобретение относится к устройству для преобразования солнечной энергии в тепло. Устройство выполнено в виде панели, включающей раму, в которой установлены лист стекла, и теплоизоляционный слой, и закрепленные между ними тепловоспринимающие листы, соединенные друг с другом с образованием каналов для циркуляции теплоносителя, при этом панель включает патрубки, связанные с каналами, для входа и выхода теплоносителя. Канал предпочтительно выполнен в форме фигуры, в поперечном сечении образованной боковыми сторонами и меньшими основаниями двух равнобедренных трапеций, сопряженных своими большими основаниями. Соотношение длин большего основания трапеции к меньшему основанию трапеции к высоте трапеции предпочтительно составляет - 6:3,2:1. Тепловоспринимающие листы предпочтительно соединены друг с другом контактной сваркой. Устройство предпочтительно включает металлический лист, установленный в раме со стороны теплоизоляционного слоя. Рама и тепловоспринимающие листы могут быть выполнены из стали. Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении эффективности накопления тепловой энергии. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для преобразования солнечной энергии в тепло, выполненное в виде панели, включающей раму, в которой установлены лист стекла, и теплоизоляционный слой, и закрепленные между ними тепловоспринимающие листы, соединенные друг с другом с образованием каналов для циркуляции теплоносителя, при этом панель включает патрубки, связанные с каналами, для входа и выхода теплоносителя, отличающееся тем, что канал выполнен в форме фигуры, в поперечном сечении образованной боковыми сторонами и меньшими основаниями двух равнобедренных трапеций, сопряженных своими большими основаниями.

2. Устройство для преобразования солнечной энергии в тепло по п. 1, отличающееся тем, что соотношение длин большего основания трапеции к меньшему основанию трапеции к высоте трапеции составляет – 6:3,2:1.

3. Устройство для преобразования солнечной энергии в тепло по п. 1, отличающееся тем, что тепловоспринимающие листы соединены друг с другом контактной сваркой.

4. Устройство для преобразования солнечной энергии в тепло по п. 1, отличающееся тем, что включает металлический лист, установленный в раме со стороны теплоизоляционного слоя.

5. Устройство для преобразования солнечной энергии в тепло по п. 1, отличающееся тем, что рама и тепловоспринимающие листы выполнены из стали.