плоский солнечный коллектор для работы в условиях северных территорий на основе теплоприемной панели, выполненной из коррозионно-стойких материалов

Формула изобретения

1. Солнечный коллектор для нагрева жидкого теплоносителя, содержащий герметичный корпус с прозрачной передней стенкой, теплоприемное устройство для передачи тепла теплоносителю, выполненное в виде панели, состоящей из двух соединенных между собой элементов, причем один из элементов имеет развитую поверхность в виде гофр, а другой - плоский, либо оба элемента выполнены с развитой поверхностью в виде гофр, образующих замкнутые каналы, сообщающиеся на входе и выходе с распределительным и сборным каналами, на внешнюю поверхность панели нанесено селективное покрытие, отличающийся тем, что в пространстве между прозрачным защитным покрытием и теплоприемной панелью создан вакуум, либо оно заполнено аргоном, либо газами, содержащими люменофоры, которые позволяют сместить спектр падающего излучения в инфракрасную область, оптимальное расстояние между защитным покрытием и теплоприемной панелью составляет b=(35...60) мм, теплоприемная панель выполнена с достаточно большим числом продольных каналов n=(30...100) шт. на 1 м² и состоит из внешнего плоского элемента, выполненного из прозрачного материала, толщиной S₀=(0,1...4,0) мм, например гелиотехнического стекла или упрочненного стекла с хорошей проводимостью всех видов спектров, в том числе и УФ-спектра, помимо стекла возможно применение пластиков, и внутреннего элемента с развитой поверхностью в виде гофр, выполненного из материала толщиной S₀=(0,1...0,5) мм с хорошей поглощающей способностью и теплопроводностью, например нержавеющей стали, стали ферритного класса, конструкционных сталей с антикоррозионным покрытием, металлопластиков, с селективным покрытием на поверхности, ориентированной в сторону воспринимаемого излучения, внутренний элемент в поперечном сечении имеет периодический профиль с чередованием плоских выступов, предусмотренных для сборки, и каналов с параболической образующей для улучшенного теплоприема, описываемой следующей зависимостью: , в образованных замкнутых каналах теплоприемной панели циркулирует теплоноситель, представляющий из себя люменофор, который позволяет путем смещения спектра падающего излучения преобразовывать данное излучение в инфракрасное, поглощаемое внутренним металлическим элементом с развитой поверхностью в виде гофр, от чего происходит его разогрев, далее внутренний элемент посредством теплопроводности разогревает теплоноситель, тепло от которого передается потребителю, где S ₀- толщина внутреннего и внешнего элементов, мм; у(х) - параболическая зависимость, описывающая образующую каналов, мм; В - ширина канала, мм; - угол формовки, град.

2. Солнечный коллектор по п.1, отличающийся тем, что теплоприемная панель состоит из внешнего элемента с развитой поверхностью в виде гофр и внутреннего плоского элемента, либо из двух элементов с развитой поверхностью в виде гофр, имеющих в поперечном сечении периодический профиль с чередованием плоских выступов, предусмотренных для сборки, при этом в зонах плоскостей выступов толщина внутреннего и внешнего элементов равна толщине заготовки S₀=(0,1...0,5) мм, и каналов с параболической образующей для улучшенного теплоприема, описываемой следующим законом: , где 0<х<В/2, - угол формовки, при этом у внешнего элемента с развитой поверхностью в виде гофр толщина стенки в центральной зоне канала минимальна, распределение толщины по сечению канала следующее: S( )=S₀cos(1+m) , где 0<m<1000, m - коэффициент формы, конструктивные соотношения для рельефного элемента следующие:

; ; ; ;

; ; r=(2...5)S₀, r=(0,15...0,25)k,

где - толщина стенки в зоне плоского выступа равна толщине внутреннего и внешнего элементов, мм; k - ширина выступа, мм; - средняя толщина стенки по ширине канала, мм; В - ширина канала, мм; h_тр - требуемая глубина канала, мм; r - радиус сопряжения плоскости выступа со стенкой канала, мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в устройствах для преобразования солнечной энергии в тепловую энергию теплоносителя.

Изобретение может обеспечить экономию энергии на нагрев воды для бытовых и хозяйственных нужд путем использования энергии Солнца.

Известен солнечный коллектор, содержащий корпус 1, прозрачное защитное покрытие 2 из одного либо двух перфорированных гофрированных листов из полипропилена, при этом листы ориентированы таким образом, что их выступы контактируют между собой, поглотитель солнечной энергии 3, выполненный из гофрированных листов, расположенных с возможностью соединения друг с другом и образования каналов для движения текучего теплоносителя 4, на внутреннюю нижнюю поверхность каналов поглотителя нанесено светопоглощающее покрытие 5, каналы поглотителя имеют сообщение с источником 6 и потребителем 7, через который происходит подача и забор теплоносителя 4, теплоизоляцию 8, расположенную между корпусом и каналами, и боковую теплоизоляцию 9, расположенную с боковых сторон корпуса 7 (патент Российской Федерации №2126517 С 1, 6 F 24 J 2/24).

Схема солнечного коллектора представлена на фигуре 1.

Устройство работает следующим образом. Солнечные лучи проникают через защитное покрытие 2, в частности через перфорированные, гофрированные листы, в зону расположения каналов поглотителя 3 и нагревают текучий теплоноситель 4, подающийся из источника 6, тепло от которого используется потребителем 7. В зависимости от положения лучи попадают на гофрированную поверхность листов 2, проходят через них, нагревая воздушную среду, находящуюся между ними, создавая тем самым тепловой экран. Перфорированные листы 2 выполнены таким образом, что лучистая энергия непосредственно проникает внутрь пространства, образованного гофрами, а с другой стороны защищает поглотитель 3 от воздействия внешней среды. Далее солнечная и тепловая энергия, проникая внутрь каналов поглотителя 3, образованных двумя гофрированными листами из полипропилена, с одной стороны, непосредственно нагревает теплоноситель 4, а с другой стороны, нагревает внутреннюю нижнюю поверхность каналов поглотителя 3, выполненную со светопоглощающим покрытием 5, при этом тепло от нагретой части канала передается теплоносителю 4. Гофры расположены таким образом, чтобы при любом положении солнца происходило эффективное поглощение тепловой энергии.

Недостатком известного солнечного коллектора является то, что в данной конструкции при прохождении солнечными лучами трех слоев светопрозрачного пластика, в том числе двух слоев, составляющих защитное покрытие, и одного слоя внешнего элемента поглотителя, наблюдаются значительные потери светового потока и переотражение, особенно значительно отражение в последнем слое воздух-пластик-теплоноситель, так как это среды с различными плотностями. Кроме того, применение перфорированных гофрированных листов в качестве прозрачного защитного покрытия недопустимо при эксплуатации в условиях больших городов, а также частых атмосферных осадков, так как в течение двух месяцев загрязнение внешней и внутренней поверхностей между перфорированными листами будет столь значительно, что световой поток будет иметь возможность проходить только через перфорацию, так как прозрачные поверхности будут покрыты пылью и грязью (например, в условиях города Москвы необходимо очищать все светопрозрачные конструкции один раз в месяц). В случае предлагаемой конструкции очистка от пыли и грязи прозрачного экрана не представляется возможной, поэтому эффективность данного коллектора весьма мала при его продолжительной эксплуатации.

Кроме того, пластиковый коллектор выходит из строя при рабочем давлении жидкости в системе каналов поглотителя больше допустимого р=1,5 атм. Кроме того, такой коллектор не позволяет нагревать теплоноситель до температуры Т=100°С и более, из-за достаточно низких физико-механических свойств пластиков при этих температурах. Данный солнечный коллектор для нагрева теплоносителя работает только на тепловом инфракрасном излучении Солнца, и не используемыми остаются другие виды спектра, поэтому в утреннее и вечернее время суток, а также в условиях северных территорий такой коллектор неэффективен.

Задачей изобретения является разработка конструкции надежного солнечного коллектора, позволяющего нагревать теплоноситель до высоких температур (более 100°С), и обеспечение возможности эксплуатации солнечного коллектора с максимальной эффективностью использования солнечной энергии в условиях северных территорий с низкой освещенностью и наличием в основном холодных видов спектра излучения (например, ультрафиолетового спектра).

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности эксплуатации надежного солнечного коллектора, позволяющего нагревать теплоноситель до высоких температур более 100°С, с максимальной эффективностью использования солнечной энергии в условиях северных территорий с низкой освещенностью и наличием в основном холодных видов спектра излучения (например, ультрафиолетового спектра).

Для решения технической задачи солнечный коллектор для нагрева жидкого теплоносителя содержит герметичный корпус с прозрачной передней стенкой, теплоприемное устройство для передачи тепла теплоносителю, выполненное в виде панели, состоящей из двух соединенных между собой элементов, причем один из элементов имеет развитую поверхность в виде гофр, а другой - плоский, либо оба элемента выполнены с развитой поверхностью в виде гофр, образующих замкнутые каналы, сообщающиеся на входе и выходе с распределительным и сборным каналами, на внешнюю поверхность панели нанесено селективное покрытие, согласно изобретению в пространстве между прозрачным защитным покрытием и теплоприемной панелью создан вакуум, либо оно заполнено аргоном, либо газами, содержащими люменофоры, которые позволяют сместить спектр падающего излучения в инфракрасную область, оптимальное расстояние между защитным покрытием и теплоприемной панелью составляет b=(35...60)мм, теплоприемная панель выполнена с достаточно большим числом продольных каналов n=(30...100)шт на 1 м² и состоит из внешнего плоского элемента, выполненного из прозрачного материала толщиной S₀=(0,1...4,0)мм, например гелиотехнического стекла или упрочненного стекла с хорошей проводимостью всех видов спектров, в том числе и УФ-спектра, помимо стекла возможно применение пластиков, и внутреннего элемента с развитой поверхностью в виде гофр, выполненного из материала толщиной S₀ =(0,1...0,5)мм с хорошей поглощающей способностью и теплопроводностью, например нержавеющей стали, стали ферритного класса, конструкционных сталей с антикоррозионным покрытием, металлопластиков, с селективным покрытием на поверхности, ориентированной в сторону воспринимаемого излучения, внутренний элемент в поперечном сечении имеет периодический профиль с чередованием плоских выступов, предусмотренных для сборки, и каналов с параболической образующей для улучшенного теплоприема, описываемой следующей зависимостью , в образованных замкнутых каналах теплоприемной панели циркулирует теплоноситель, представляющий из себя люменофор, который позволяет путем смещения спектра падающего излучения преобразовывать данное излучение в инфракрасное, поглощаемое внутренним металлическим элементом с развитой поверхностью в виде гофр, от чего происходит его разогрев, далее внутренний элемент посредством теплопроводности разогревает теплоноситель, тепло от которого передается потребителю, где S ₀ - толщина внутреннего и внешнего элементов, мм; у(х) - параболическая зависимость, описывающая образующую каналов, мм; В - ширина канала, мм; - угол формовки, град.

Схема солнечного коллектора показана на фигуре 2.

Солнечный коллектор содержит герметичный корпус 1 с прозрачным защитным покрытием 2, теплоприемную панель, состоящую из внешнего плоского прозрачного элемента 3 и внутреннего рельефного элемента 4, на который нанесено селективное покрытие 5 по поверхности, контактирующей с теплоносителем - люменофором 6, распределительного канала 7 и сборного канала 8, имеющих сообщение с каналами теплоприемной панели, для подачи и забора теплоносителя 6, теплоизоляцию 9, расположенную между корпусом и теплоприемной панелью, и боковую теплоизоляцию 10, расположенную с боковых сторон корпуса 1, специальный клапан 11 для регуляции подачи теплоносителя в каналы теплоприемной панели, подача холодной воды из источника 12 и отвод нагретой воды потребителю 13 осуществляется через бойлер 14.

Солнечный коллектор работает следующим образом. Солнечные лучи проходят через прозрачное защитное покрытие 2 герметичного корпуса 1, через вакуумную прослойку либо газовую среду, находящуюся между защитным покрытием и теплоприемной панелью 3-4, препятствующую тепловым потерям с внешней стороны корпуса 1, а также смещающую спектр солнечного излучения в инфракрасную область в случае присутствия газообразного люменофора. Далее солнечная энергия проникает через прозрачный внешний элемент теплоприемной панели 3 и попадает на теплоноситель - люменофор 6, подающийся из распределительного канала 7 и циркулирующий в замкнутых продольных каналах, образованных внешним плоским элементом 3 и внутренним рельефным элементом 4 теплоприемной панели. Посредством теплоносителя - люменофора 6 - падающее фактическое излучение путем смещения спектра лучей преобразовывается в инфракрасное излучение, поглощаемое внутренним рельефным элементом 4 с селективным покрытием 5, от чего происходит разогрев внутреннего элемента 4. Далее внутренний элемент теплоприемной панели 4 посредством теплопроводности разогревает теплоноситель 6, при этом определенная температура нагрева теплоносителя обеспечивается регулированием его подачи в распределительный канал 7 специальным клапаном 11. Через сборный канал 8 теплоноситель собирается и подается в бойлер 14, где вода из источника 12 нагревается от теплоносителя посредством теплопроводности и подается потребителю 13. Теплоизоляция 9, расположенная между корпусом 1 и внутренним элементом теплоприемной панели 4, и боковая теплоизоляция 10 позволяют максимально снизить тепловые потери с внутренней и боковых сторон корпуса 1.

Предложенная конструкция солнечного коллектора обеспечивает достижение необходимого технического результата, а именно возможность эксплуатации надежного солнечного коллектора, позволяющего нагревать теплоноситель до высоких температур более 100°С, с максимальной эффективностью использования солнечной энергии в условиях северных территорий с низкой освещенностью и наличием в основном холодных видов спектра излучения (например, ультрафиолетового спектра) за счет применения теплоприемной панели с прозрачным внешним элементом и внутренним рельефным металлическим элементом с хорошей поглощающей способностью и теплопроводностью, в каналах которой циркулирует теплоноситель - люменофор, а также за счет того, что в пространстве между прозрачным защитным покрытием и теплоприемной панелью создан вакуум, либо оно заполнено аргоном, либо специальными газами, содержащими люменофоры, при этом жидкий и газообразный люменофор позволяют преобразовывать падающее фактическое излучение путем смещения спектра лучей в инфракрасное излучение для нагрева внутреннего элемента теплоприемной панели и последующего нагрева теплоносителя.

Другая предложенная конструкция солнечного коллектора показана на фигуре 3.

Технический результат достигается тем, что солнечный коллектор, содержащий герметичный корпус с теплоизоляцией, прозрачное защитное покрытие, распределительный и сборный каналы для подачи и забора текучего теплоносителя, снабжен теплоприемным устройством, выполненным в виде панели с достаточно большим числом продольных каналов n=(30...100) на 1 м² (n - количество каналов на единицу площади, шт/м ²), состоящей из внешнего элемента с развитой поверхностью в виде гофр и внутреннего плоского элемента, либо из двух элементов с развитой поверхностью в виде гофр, имеющих в поперечном сечении периодический профиль с чередованием плоских выступов, предусмотренных для сборки, при этом в зонах плоскостей выступов толщина стенки равна толщине заготовки S₀=(0,1...0,5)мм, где S₀ - исходная толщина листового материала в мм, и каналов с параболической образующей для улучшенного теплоприема, описываемой следующим законом , где у(х) - функция формы сечения канала, мм; х - аргумент функции формы сечения канала, мм; - угол формовки, град; В - ширина канала, мм; при этом у внешнего элемента с развитой поверхностью в виде гофр толщина стенки в центральной зоне канала минимальна, а распределение толщины по сечению канала следующее S( )=S₀cos(1+m) , где S( ) - функция распределения толщины по сечению канала, мм; S₀ - исходная толщина листового материала в мм; m - коэффициент формы; - угол формовки. Это дает возможность получить у материала следующие теплотехнические свойства: в одном направлении минимальное сопротивление теплопроводности, а в других направлениях - максимальное сопротивление теплопроводности. Стенка канала на участке (С-С') обладает особыми теплотехническими свойствами, так как в процессе обработки изменена структура материала, вследствие чего улучшена его теплопроводность и уменьшена толщина стенки, что также улучшило его теплопроводность за счет уменьшения кратчайшего расстояния для прохождения тепла. При этом минимальное сопротивление теплопроводности наблюдается в направлении (А-Б) по кратчайшему расстоянию, в других же направлениях (С-Д) сопротивление теплопроводности велико из-за большой длины участка, поэтому практически отсутствует теплообмен между поглощающей поверхностью теплоприемной панели и ее периферийными зонами, что уменьшает общие тепловые потери коллектора. Материал, на котором может быть реализован этот эффект, - тонколистовая нержавеющая сталь, стали ферритного класса, конструкционные стали с антикоррозионным покрытием, металлопластики. В пространстве между прозрачным защитным покрытием и теплоприемной панелью создан вакуум, либо оно заполнено аргоном, либо специальными газами, содержащими люменофоры, которые позволяют сместить спектр падающего излучения в инфракрасную область. Оптимальное расстояние между защитным покрытием и теплоприемной панелью должно быть b=(35...60)мм для исключения конвекции и связанных с этим тепловых потерь с внешней стороны корпуса (если не используется вакуум), где b - воздушный теплоизоляционный зазор, мм.

На фигуре 3 представлена схема солнечного коллектора с различным исполнением плоской металлической панели: схема, где панель состоит из внешнего элемента с развитой поверхностью в виде гофр с переменной толщиной стенки по сечению канала и внутреннего плоского элемента; схема, где панель состоит из внешнего элемента с развитой поверхностью в виде гофр с переменной толщиной стенки по сечению канала и внутреннего элемента с развитой поверхностью в виде гофр с постоянной по сечению толщиной стенки.

Солнечный коллектор содержит герметичный корпус 1 с прозрачным внешним покрытием 2, теплоприемную панель, состоящую из внешнего элемента 3 с развитой поверхностью в виде гофр с переменной толщиной стенки и внутреннего плоского элемента 4, на который нанесено селективное покрытие 5 по поверхности, распределительного канала 7 и сборного канала 8, имеющих сообщение с каналами теплоприемной панели, для подачи и забора теплоносителя 6, теплоизоляцию 9, расположенную между корпусом и теплоприемной панелью, и боковую теплоизоляцию 10, расположенную с боковых сторон корпуса 7, специальный клапан 11 для регуляции подачи теплоносителя в каналы теплоприемной панели, подача холодной воды из источника 12 и отвод нагретой воды потребителю 13 осуществляется через бойлер 14.

Солнечный коллектор работает следующим образом. Солнечные лучи проходят через прозрачное защитное покрытие 2 герметичного корпуса 1, через вакуумную прослойку либо газовую среду, находящуюся между защитным покрытием и теплоприемной панелью 3-4, препятствующую тепловым потерям с внешней стороны корпуса 1, а также смещающую спектр солнечного излучения в инфракрасную область в случае присутствия газообразного люменофора. Далее тепловая солнечная энергия нагревает внешний элемент с развитой поверхностью в виде гофр теплоприемной панели 3 с селективным покрытием 5. Внешний элемент с развитой поверхностью в виде гофр 3 теплоприемной панели посредством теплопроводности разогревает теплоноситель 6, подающийся из распределительного канала 7 и циркулирующий в замкнутых продольных каналах, образованных внешним элементом с развитой поверхностью в виде гофр и внутренним плоским элементом теплоприемной панели 3-4, при этом определенная температура нагрева теплоносителя обеспечивается регулированием его подачи в распределительный канал 7 специальным клапаном 11. Через сборный канал 8 теплоноситель собирается и подается в бойлер 14, где вода из источника 72 нагревается от теплоносителя посредством теплопроводности и подается потребителю 13. Теплоизоляция 9, расположенная между корпусом 1 и внутренним плоским элементом теплоприемной панели 4, и боковая теплоизоляция 10 позволяют максимально снизить тепловые потери с внутренней и боковых сторон корпуса 1.

Схема профиля элемента теплоприемной панели с развитой поверхностью в виде гофр с переменной толщиной стенки по сечению канала представлена на фигуре 4.

Конструктивные соотношения профиля внешнего элемента с развитой поверхностью в виде гофр теплоприемной панели с переменной толщиной стенки по сечению каналов следующие.

Относительная толщина стенки профиля на плоскости выступа:

где ,мм; толщина стенки в зоне плоского выступа равна толщине исходной листовой заготовки, мм; k - ширина выступа, мм.

Относительная толщина стенки профиля по сечению канала:

где - средняя толщина стенки по ширине канала, мм; В - ширина канала, мм.

Относительная глубина канала:

; , где h_тр - требуемая глубина канала, мм; В - ширина канала, мм.

Относительная высота выступа:

где h_тр - требуемая глубина канала, мм; k - ширина выступа, мм;

Отношение ширины канала к ширине выступа:

где h_тр - требуемая глубина канала, мм; В - ширина выступа, мм.

Радиус сопряжения плоскости выступа со стенкой канала, мм:

r=(2...5)S ₀,

r=(0,15...0,25)k,

где S₀ - исходная толщина листового материала в мм; k - ширина выступа, мм;

Образующая канала описывается параболической зависимостью:

, где 0< <В/2, мм; В - ширина канала, мм; у(х) - функция формы сечения канала, мм; - угол формовки, град.

Распределение толщины по сечению канала от радиуса сопряжения плоскости выступа до центра канала описывается зависимостью:

S( )=S₀cos(1+m) , где 0<m<1000, m - коэффициент формы, толщина в центральной зоне канала минимальна; S( ) - функция распределения толщины по сечению канала, мм; S₀ - исходная толщина листового материала в мм; - угол формовки, град.

В отличие от внешнего элемента с развитой поверхностью в виде гофр панели в случае сборки теплоприемника из двух элементов с развитой поверхностью в виде гофр, толщина стенки внутреннего элемента с развитой поверхностью в виде гофр по ширине каналов равна толщине стенки в зоне выступов.

Предложенная конструкция солнечного коллектора обеспечивает достижение необходимого технического результата, а именно возможность эксплуатации надежного солнечного коллектора, позволяющего нагревать теплоноситель до высоких температур более 100°С, с максимальной эффективностью использования солнечной энергии в условиях северных территорий с низкой освещенностью и наличием в основном холодных видов спектра излучения (например, ультрафиолетового спектра) за счет использования внешнего металлического элемента с развитой поверхностью в виде гофр с измененной в процессе обработки структурой материала, вследствие чего улучшена его теплопроводность, с переменной толщиной стенки по сечению каналов, минимальной в центральной зоне канала, что также улучшило теплопроводность с развитой поверхностью в виде гофр элемента за счет уменьшения кратчайшего расстояния для прохождения тепла, а также с оптимальной параболической образующей канала для улучшенного теплоприема падающего солнечного излучения, в пространстве между прозрачным защитным покрытием и теплоприемной панелью создан вакуум, либо оно заполнено аргоном, либо специальными газами, содержащими люменофоры, которые позволяют сместить спектр падающего излучения в инфракрасную область.