Гелиоустановка Советский патент 1993 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к энергетике и в частности для получения низкопотенциального тепла за счет солнечного излучения (СИ) с последующим использованием в системах теплоснабжения, потребляющих энергию такого же температурного потенциала.

Цель изобретения - повышение эффективности использования солнечной энергии.

Эта цель достигается тем, что в гелио- водонагревательной установке с естественной циркуляцией, содержащей светоотражающие панели, плоский солнечный коллектор в виде тёпловоспринимаю- щей панели с теплоотводящими каналами, совмещенный с баком-аккумулятором и сообщенный с ним через прямой и обратный гидравлические коллекторы прямым и обратным патрубком, каждый теплоотводя- щий канал солнечного коллектора снабжен отдельным прямым и обратным патрубком, каждый обратный патрубок расположен под тепловоспринимающей панелью без теплоизоляции от нее, гидравлическими прямым и обратным коллекторами для каждого теп- лоотводящего канала является бак-аккумулятор, передняя стенка которого выполнена плоской под углом 126°...128° к плоскости солнечного коллектора с шириной (высотой) равной половине ширины (высоты) солнечного коллектора и является светоотражаю- щей панелью, причем обратные патрубки могут быть снабжены дополнительной тепловоспринимающей панелью, светоотража- ющая панель может быть выполнена раздельно от стенки бака-аккумулятора, установка может содержать аналогичную светоотражающую панель на противоположной части солнечного коллектора и обе светоотражающие панели могут быть закреплены посредством шарнира с фиксацией угла раскрытия от 0° до 128°, сама установка установлена плоскостью солнечного коллектора под прямым углом к лучам солнечного излучения в период зимнего солнцестояния для данной широты местности, и закреплена на месте эксплуатации посредством шарнира, расположенного под солнечным коллектором по центру тяжести установки или выше его.

Признаками, характеризующими предлагаемое изобретение, являются:

1. Солнечный коллектор в виде тепло- воспринимающей плоской панели с тепло- отводящими каналами.

2. Бак-аккумулятор.

3. Бак-аккумулятор конструктивно совмещен с солнечным коллектором.

4. Прямой и обратный патрубки.

5. Прямой и обратный патрубки для каждого теплоотводящего канала.

6. Обратные патрубки расположены под тепловоспринимающей панелью без тепло- изоляции от нее.

7. Обратные патрубки снабжены дополнительной тепловоспринимающей панелью.

8. Теплоотводящие каналы сообщены с прямым и обратным гидравлическими кол- лекторами.

9. Прямым и обратным гидравлическими коллекторами является бак-аккумулятор.

10. Циркуляция теплоносителя естественная. 5 П.Светоотражающая панель.

12. Передняя стенка бака-аккумулятора выполнена плоской под углом 126°...128° к плоскости солнечного коллектора.

13. Ширина (высота) стенки равна поло- 0 вине ширине (высоты)солнечного коллектора).

14. Передняя стенка бака-аккумулятора является светотражающей панелью.

15. Светоотражающая панель выполне- 5 на раздельно от стенки бака-аккумулятора.

16. Дополнительная аналогичная свето- отражающая панель на противоположной части солнечного коллектора.

17. Обе светоотражающие панели за- 0 креплены посредством шарнира с фиксацией угла раскрытия от 0° до 128°.

18. Установка установлена плоскостью солнечного коллектора под прямым углом к лучам солнечного излучения в период зим- 5 него солнцестояния для данной широты местности.

19. Установка закреплена на месте эксплуатации посредством шарнира, расположенного под СК по центру тяжести

0 установки или выше его.

Признаки 1, 2, 3, 4, 8, 10, 11 являются общими с признаками прототипа.

Признаки 5, 6, 7, 9 позволяют использовать часть инфракрасного излучения излуча5 емого нагретыми тепловоспринимающей панелью и теплоотводящими каналами, т.к. тепло от солнечного излучения не полностью поглощается теплоносителем и температура тепловоспринимающей СИ панели

0 выше температуры теплоносителя (особенно по центру между теплоотводящими каналами), а так же не делась специальные гидравлические коллекторы и обратный патрубок большого сечения.

5Признаки 12, 13, 14, 18, 19 позволяют получить дополнительное тепло в зимний период, а также весенне-осенний периоды, т.к. отраженное СИ падает на всю поверхность СК, и регулировать угол падения СИ на СК, не перегревать СК в летний период:

т.к. СИ будут падать на СК под углом меньшим 90°, а отраженные лучи от светоотра- жающей панели будут падать на незначительную площадь СК. не делать отдельную светоотражающую панель, а также получить бак-аккумулятор с соотношением толщины к высоте не менее чем 1 к 2.

Признаки 15, 16, 17, 18, 19 позволяют увеличить и регулировать поступление тепла на СК в зимний и осенне-весенний периоды по отношению к признакам 12, 13, 14, затенять часть СК в летний период и тем самым регулировать поступление энергии СИ на СК и плотностью закрывать СК.

1. Повышается эффективность установки из-за возможности использования части инфракрасного излучения от нагретых теп- ловоспринимающей панели и теплоотводя- щих каналов, т.к. это излучение будет частично поглощаться обратными патрубками и подогревать входящий в СК теплоноситель, а это даст возможность хоть незначительно, что уменьшить площадь тепловоспринимающей панели или увеличить скорость нагрева воды в баке-аккумуляторе. Дополнительная теп- ловоспринимающая панель на. обратных патрубках увеличивает эффективность поглощения инфракрасного излучения и тем самым уменьшит тепловые потери в окружающую среду. Увеличивать нагрев обратных патрубков или дополнительной тепловоспринимающей панели будет и циркуляция воздуха в зазоре между ними и первой основной тепловоспринимающей панелью. Применение светоотражающих панелей по вышеуказанным признакам и установка СК плоскостью перпендикулярно СИ в зимний период повышает среднегодовую эффективность установки и позволяет повысить экономичность ис.пользования солнечной энергии, т.к. в зимний период установка будет получать максимальное количество тепла, а летний максимум тепла будет занижен и поэтому уменьшается вероятность перегрева СК. Этому будет способствовать и возможность регулировки угла раскрытия светоотражающих панелей и регулирование положения СК относительно СИ. Повышению эффективности способствует и достижение возможности увеличения соотношения высоты бака-аккумулятора к его толщине (без увеличения его объема) не менее чем в 2 раза, что значительно увеличивает стратификацию теплоносителя в баке-аккумуляторе, а это увеличивает разность температур теплоносителя на входе в бак-аккумулятор и на выходе из него, т.е. эффективность системы с высокой разностью температур будет практически равна

эффективности многоцикловой системы с более низкой разностью температур.

2. Упрощается конструкция установки и ее габариты из-за достижения возможности использования бака-аккумулятора дополнительно как обратный и прямой гидравлические коллекторы.

3. Упрощается конструкция установки и ее габариты из-за достижения возможности

0 использования передней стенки бака-аккумулятора в качестве светоотражающей панели, т.к. отпадает необходимость в изготовлении специальной светоотражающей панели и специального жесткого креп5 ления и тем самым увеличивается надежность эксплуатации установки при сильном ветре.

4. Увеличивается надежность установки и за счет двух отдельных светоотражающих

0 панелей, т.к. ими можно закрывать (простым поворотом на шарнире) плоскость СК и тем самым защищать остекление СК, например, при транспортировке или при эксплуатации, например, от песка и камней при

5 сильном ветре или от града при грозе.

На фиг. 1 показана установка в продольном сечении.

На фиг. 2 показана установка в боковой проекции с отдельными отражающими па0 нелями. На фиг. 3 показан фрагмент поперечного сечения солнечного коллектора.

Гелиоводонагревательная установка, изображенная на фиг. 1, содержит плоский солнечный коллектор (СК) 1 в виде теп5 ловоспринимающей панели 2 (фиг. 3) с теплоотводящими каналами 3. Тепловосп- ринимающая панель 2 с каналами 3 расположена по всей плоскости СК и закрыта, например, стеклом 4. Тепловрспринимаю0 щая панель 2 с каналами 3 может быть выполнена или Б виде труба в листе, или в виде отдельных труб и рифленой панели, или штампованно-сварной из алюминия, стали, меди или даже из пластмассы. С СК

5 конструктивно совмещен бак-аккумулятор 5 емкостью 50...100 л на 1 м2 СК (в зависимости от широты местности эксплуатации установки и плотности потока солнечного излучения (СИ). СК и бак-аккумулятор тепло0 изолированы от окружающей среды пенопластом или минеральной ватой. Бак-аккумулятор выполнен из стали, алюминия или пластмассы. Высота бака (вместе с теплоизоляцией) равна половине длины (вы5 соты) СК. Передняя стенка 6 бака расположена под углом 126°...128° к плоскости СК, выполнена плоской и светоотражающей. Выбранные соотношения длины СК и высоты стенки 6, а также углы расположения стенки 6 обеспечивают отражение СИ на

всю плоскость СК при падении лучей СИ под прямым углом к плоскости СК. Светоотража- ющая поверхность стенки б получена, например, или путем полировки материала, из которого она выполнена (сталь, алюминий), или гальваническим осаждением блестящего покрытия, или плазмохимическим напылением, отражающего покрытия. Длина бака 5 равна ширине СК1, а ширина бака равна не более 1/2 высоты бака. Каждый канал 3 СК сообщен с баком-аккумулятором 5 прямым 7 и обратным 8 патрубками. Площадь сечения канала 3 меньше или равна площади сечения патрубков 7, 8, а бак-аккумулятор 5 является одновременно прямым и обратным гидравлическим коллектором для них. Обратные патрубки 8 расположены под тепловоспринимающей панелью 2 без теплоизоляции от нее и могут быть снабжены дополнительной тепловоспринимающей панелью 9, при этом патрубки 8 и панель 9 могут быть выполнены также как и каналы 3 с панелью 2. СК1 и бак-аккумулятор 5 заполнены водой 10 (теплоноситель);

Гелиоводонагревательная установка, изображенная на фиг. 2 содержит отдельную светоотражающую панель 11, закрепленную посредством шарнира 12 (например, в виде рояльной петли) и имеющей возможность фиксации по углу раскрытия от 0 до 128°, например, посредством ограничителя 13 с продольным пазом. Кроме того, установка может содержать аналогичную светоотражающую панель 14 на противоположном конце СК.

Установка установлена плоскостью СК под прямым углом к лучам СИ в период зимнего солнцестояния для данной широты местности.

Направление лучей СИ в зимний и летний период эксплуатации показан на фиг, 1.

Установка может быть закреплена на месте эксплуатации посредством шарнира 15, расположенного под СК по центру тяжести установки или выше его. Фиксировать установку в этом случае можно ограничителями (аналогичными ограничителям 13) в нижней части СК.

Работает установка следующим образом.

При падении лучей СИ перпендикулярно плоскости СК на тепловоспринимающую панель 2 будет поступать как прямое СИ так и отраженное от стенки 6 или панелей 11. 14. Тепловая энергия от панели 2 будет передаваться каналам 3, нагревая находящуюся в них воду 10. При нагреве воды в каналах 3 возникнет градиент плотности ее по отношению к воде, находящейся в баке- аккумуляторе 5, в результате чего возникнет

естественная (термосифонная) циркуляция воды, т.е. нагретая вода будет поступать по прямым патрубкам 7 в верхнюю часть бака, а холодная вода из нижней части бака будет

поступать в обратные патрубки 8 и далее в каналы 3. Исходя из условий теплопередачи (физических законов) температура панели 2 будет всегда выше температуры воды в каналах 3 (особенно по центру между канала0 ми) и поэтому тепловая энергия будет рассеиваться и в окружающее пространство в виде инфракрасного излучения и за счет конвенции воздуха в воздушных зазорах. Часть такого, хоть и незначительного, тепла

5 будет восприниматься обратными патрубками 8, передавая его поступающей из бака воде и уменьшая количество циклов нагрева всей воды. Этому же будет способствовать и хорошая стратификация воды в баке за

0 счет необходимого соотношения (min 1 к 2...3) ширины бака и его высоты. Дополнительная тепловоспринимающая панель 3 увеличит поступление тепла к патрубкам 8 и еще больше уменьшит передачу тепла в ок5 ружающую установку среду. Изменяя угол раскрытия панелей 11, 14 и поворачивая установку на шарнире 15 можно регулировать поступление солнечной энергии на СК в любое время года, увеличивая или умень0 шая его при необходимости. Кроме того, во время пыльных бурь и грозы с градом панелями 11 и 14 можно закрывать СК, предохраняя стекло 4 от повреждения и загрязнения. Для потребления горячей воды доста5 точно подать холодную воду через отдельный патрубок в нижнюю часть бака 5, которая будет вытеснять горячую воду через отдельный патрубок в верхней части бака. Возможны и другие варианты (например,

0 как в прототипе). Для слива воды из установки необходимо, например, слить воду через отдельный патрубок в нижней части бака, затем повернуть установку на шарнире 15, чтобы вода вытекла из каналов 3 и патруб5 ков 7, 8. (Расположение шарнира 15 по центру тяжести установки позволит сделать это легко).

Предлагаемая установка имеет более высокую эффективность и экономичность

0 использования солнечной энергии за счет более полного использования тепловой энергии, передающейся от нее в окружающую среду, хорошей стратификации воды в баке-аккумуляторе, достижения возможно5 сти регулирования поступления СИ на СК для любого времени года, дополнительного увеличения ее поступления в зимнее время и уменьшения - в летнее время простыми, надежными и малогабаритными средствами. Упрощается конструкция установки и ее

габариты из-за достижения возможности использования бака-аккумулятора дополнительно как гидравлические прямой и обратный коллекторы и выполнения передней стенки бака в качестве светоотражающей панели, а также за счет использования отдельных светоотражающих панелей в качестве защитных при пыльных бурях и грозе с градом.

Формула изобретения 1. Гелиоустановка, содержащая бак-аккумулятор, выполненный за одно целое с солнечным коллектором, в последнем размещена теплопоглощающая панель с рядом каналов для прохода теплоносителя, подключенные через прямой и обратный тру0

бопроводы к баку-аккумулятору, о т л и ч а- ю щ а я с я тем. что. с целью повышения эффективности использования солнечной энергии, каналы подключены к баку-аккумулятору через ряд прямых и обратных каналов непосредственно, причем обратные каналы расположены с зазором под тепло- поглощающей панелью.

2. Гелиоустановка по п. 1, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что обратные каналы снабжены дополнительной теплопоглощающей гьа- нелью.

3. Гелиоустановка по п. 1, о т л и ч а ю- щ а я с я тем. что стенка бака-аккумулятора, обращенная к солнечному коллектору, выполнена отражающей солнечное излучение на солнечный коллектор.

Сущность изобретения: гелиоустановка устанавливается плоскостью солнечного коллектора 1 (СК) под прямым углом к лучам солнечного излучения (СИ) в период зимнего солнцестояния для данной широты местности и, кроме того, может быть закреплена на месте эксплуатации посредством шарнира 15, расположенного по центру тяжести установки или выше его. При падении лучей . Горячая . . вода. СО перпендикулярно плоскости СК на панель 2 поступает как прямое СИ, так и отраженное от стенки 6 или панелей 11, 14, нагревая ее. От панели 2 тепло передается воде в каналах 3 и частично рассеивается в окружающей пространство в виде инфракрасного из лучения и за счет конвенции воздуха в зазорах, нагревая патрубки 8 непосредственно или через панель 9 и тем самым нагревая воду в патрубках 8, поступающую из бака 5. Нагретая вода из каналов 3 поступает в верхнюю часть бака 5 за счет градиента плотности воды, образуя естественную (термосифонную) циркуляцию воды. Изменяя наклон установки за счет поворота на шарнира 15 и угол раскрытия панелей 11,14 можно изменять в широких пределах поступление СИ на СК в течение года. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Фи3.1

±л

Солнечное излучение