Солнечный коллектор - RU2224188C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано, в частности, в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева теплоносителя.

Известны солнечные коллекторы, содержащие корпус в виде рамной конструкции, в верхней части которого установлено светопропускающее ограждение в виде плоского стекла. За стеклом установлена плоская теплоприемная панель с оптическим покрытием, преобразующая солнечное излучение в тепло (см., например Sanit+Hezungstechnik, 1977, v.62, 1, рр. 46, 48, 80).

Недостатком известных солнечных коллекторов является низкая эффективность их работы в вечерние и утренние часы, когда теплоприемная панель частично затеняется непрозрачным каркасом боковых стенок рамной конструкции, а коэффициент отражения солнечных лучей плоского стекла значительно увеличивается при больших углах падения в соответствии с формулой отражения Френеля.

Известен солнечный коллектор, содержащий замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала, состоящую из центральной поверхности, сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей и плоскости, касательной к боковым цилиндрическим поверхностям, две торцевые крышки, установленные на торцах оболочки, и размещенное в оболочке теплоприемное устройство для передачи тепла теплоносителю, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие (см., например, Солнечный коллектор, патент РФ 2177119 C1, 20.12.2001 г.).

Основным недостатком известного солнечного коллектора является то, что форма его оболочки и форма теплоприемного устройства не оптимизированы с точки зрения получения максимальной эффективности работы солнечного коллектора при обеспечении его минимальной материалоемкости и себестоимости для различных типов солнечных коллекторов. Например, для коллектора с установленной внутри оболочки емкостью, служащей для нагрева и аккумулирования жидкого теплоносителя, или для коллектора с установленным внутри оболочки герметичным коробом с каналами для нагрева и пропускания газообразного теплоносителя, или для коллектора с плоской теплоприемной панелью, имеющей каналы для пропускания жидкого теплоносителя.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции солнечного коллектора, обладающей максимальной эффективностью при минимальной себестоимости, позволяющей в рамках единого унифицированного технологического цикла производить солнечные коллекторы различного назначения, а именно:
1. Солнечный коллектор с теплоприемным устройством, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, выполненным в виде встроенной в прозрачную оболочку емкости, например бака, для нагрева за счет солнечной энергии жидкого теплоносителя и аккумулирования тепла.

2. Солнечный коллектор с теплоприемным устройством, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, выполненным в виде встроенной в прозрачную оболочку плоской теплоприемной панели, имеющей каналы для протекания и нагрева за счет солнечной энергии жидкого теплоносителя.

3. Солнечный коллектор со встроенным в прозрачную оболочку коробом, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, служащим для нагрева за счет солнечной энергии потока воздуха.

Общей отличительной чертой указанных коллекторов является оптимальное соотношение геометрических размеров прозрачной оболочки и теплоприемного устройства.

Указанная задача решается тем, что в солнечном коллекторе, содержащем замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала, состоящую из центральной поверхности, сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей и плоскости, касательной к боковым цилиндрическим поверхностям, две торцевые крышки, установленные на торцах оболочки, и размещенное в оболочке теплоприемное устройство для передачи тепла теплоносителю, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, согласно изобретению центральная поверхность выполнена цилиндрической с радиусом R, две боковые цилиндрические поверхности выполнены с радиусом r, а ширина L оболочки и значения R и r связаны следующими зависимостями:
5Н> R> 3Н;

Таким образом, внутри замкнутой оболочки устанавливается теплоприемное устройство шириной Н и толщиной t с солнечным селективным поглощающим покрытием на его внешней поверхности. Основные геометрические размеры оболочки - R, r, L в целях обеспечения максимальной эффективности использования солнечного коллектора при минимальной его материалоемкости связаны между собой и находятся в следующей зависимости с основными геометрическими размерами теплоприемного устройства H, t,:
1. 5H>R>3H, при R>5Н уменьшается жесткость конструкции оболочки, а также увеличивается коэффициент отражения солнечных лучей при наклонном падении, при R<3Н недопустимо увеличивается расход материала оболочки на единицу ее длины, что приводит к увеличению себестоимости СК.

3. 1.1Н>L>1,05Н, при L>1,1Н увеличивается расход материала на изготовление оболочки, при L<1,05 Н могут возникнуть трудности при установке теплоприемного устройства в оболочку.

В солнечном коллекторе в качестве теплоприемного устройства, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, может быть применена емкость, например бак, служащий для нагрева и аккумулирования жидкого теплоносителя.

Или в качестве теплоприемного устройства, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, может быть применен герметичный короб для пропускания газообразного теплоносителя, причем внутренняя поверхность короба имеет покрытие с высоким коэффициентом поглощения в инфракрасной области спектра, а внутри короба предусмотрены средства для интенсификации теплообмена.

Или в солнечном коллекторе в качестве теплоприемного устройства, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, может быть применена плоская теплоприемная панель с каналами для протекания жидкого теплоносителя, имеющая по всей ее длине с каждой стороны два прямых или изогнутых дополнительных боковых теплоприемных элемента с селективным покрытием, поглощающим солнечную радиацию на их внешней поверхности, при этом боковые теплоприемные элементы расположены ниже уровня плоскости теплоприемной панели и за параметр t принимается расстояние от нижнего края бокового элемента до плоскости теплоприемной панели.

При этом на каждой из двух боковых цилиндрических поверхностей радиусом r прозрачной оболочки по всей их длине могут быть установлены пленочные призматические отражатели.

На фиг.1 приведено аксонометрическое изображение солнечного коллектора, на фиг. 2 - солнечный коллектор с теплоприемным устройством в виде емкости (бака), на фиг. 3 - солнечный коллектор с теплоприемным устройством в виде плоской панели, на фиг.4 - солнечный коллектор с теплоприемным устройством в виде короба, на фиг.5 - продольное сечение коллектора с теплоприемным устройством в виде короба со средствами для интенсификации теплообмена, на фиг.6 - схематическое изображение боковой части поперечного сечения коллектора с пленочным призматическим отражателем.

Во всех вариантах выполнения солнечного коллектора (фиг.1) он содержит замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала шириной L, выполненную, например, из ячеистого поликарбоната с поперечным расположением каналов и состоящую из центральной цилиндрической поверхности 1 радиуса R, сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей 2 радиуса r и плоскости 3, касательной к боковым цилиндрическим поверхностям 2, теплоприемное устройство для передачи тепла теплоносителю, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие и имеющее ширину Н и толщину t (фиг.2).

Ширина L оболочки и значения R и r связаны следующими зависимостями:
5Н>R>3Н;

Теплоприемное устройство может быть выполнено в виде емкости или бака 4 для нагрева воды или других теплоносителей и аккумулирования теплоносителя, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, внутри бака 4 может устанавливаться панель 5, способствующая быстрому прогреву теплоносителя в полости 6 между панелью 5 и стенкой бака 4, что приводит к интенсификации конвективного отвода тепла от поверхности, нагреваемой солнцем.

Теплоприемное устройство может быть выполнено в виде плоской теплоприемной панели 7 с каналами 8 для протекания жидкого теплоносителя, на внешнюю поверхность которой нанесено селективное покрытие, имеющей по всей своей длине с каждой стороны два прямых или изогнутых дополнительных боковых теплоприемных элемента 9 с селективным покрытием, поглощающим солнечную радиацию на их внешней поверхности, при этом боковые теплоприемные элементы расположены ниже уровня плоскости теплоприемной панели 7 и за параметр t принимается расстояние от нижнего края бокового элемента 9 до плоскости теплоприемной панели 7 (фиг.3).

Теплоприемное устройство может быть выполнено в виде герметичного короба 10 для протекания газообразного теплоносителя, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, внутри которого предусмотрены средства для интенсификации конвективного теплообмена, например с помощью перфорированной решетки типа жалюзи 11 или штырьков, причем все поверхности внутри короба 10 могут иметь покрытие с высоким коэффициентом поглощения в инфракрасной области спектра (фиг.4 и 5).

Наружная поверхность теплоприемных устройств со стороны поступления солнечной радиации имеет селективное покрытие с высоким коэффициентом поглощения в видимой и ближней инфракрасной области солнечного спектра и низкий коэффициент излучения в длинноволновой области спектра.

В солнечном коллекторе с тыльной стороны предусмотрена тепловая изоляция 12, а на каждой из двух боковых цилиндрических поверхностей 2 радиусом r прозрачной оболочки по всей их длине могут быть установлены пленочные призматические отражатели 13 (фиг.6).

На фиг.6 падение солнечных лучей обозначено поз.14 и 15.

На торцах оболочки установлены две торцевые крышки 16 (фиг.1).

Солнечные лучи, проходя через замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала, падают на теплоприемное устройство с селективным покрытием на внешней поверхности, например, в виде бака 4 (фиг.2) для нагрева теплоносителя и аккумулирования тепла, нагревают его и находящийся внутри бака 4 теплоноситель. Панель 5, установленная внутри бака 4, обеспечивает ускоренный прогрев жидкого теплоносителя в полости 6 между панелью 5 и стенкой бака 4, обращенной к светопропускающей части прозрачной оболочки, что интенсифицирует циркуляцию теплоносителя внутри бака и в конечном итоге приводит к ускорению прогрева всей массы теплоносителя в баке 4. После прекращения поступления солнечной радиации циркуляция теплоносителя в баке 4 прекращается и в нем устанавливается температурный градиент. Отвод теплоносителя потребителю осуществляется из верхней части бака 4, где температура имеет максимальное значение, а пополнение бака 4 осуществляется через патрубок в его нижней части.

При попадании солнечных лучей внутрь прозрачной оболочки на плоскую теплоприемную панель 7 с селективным покрытием на внешней поверхности и с каналами 8 для протекания жидкого теплоносителя, происходит разогрев панели 7 и от нее - жидкого теплоносителя, протекающего по каналам 8. По всей длине теплоприемной панели 7 предусмотрены боковые теплоприемные элементы 9, имеющие в сечении прямолинейную или изогнутую форму и обеспечивающие улавливание солнечных лучей в период нахождения Солнца у линии горизонта (на восходе или закате) (фиг.3).

Солнечные лучи, попадая на теплоприемное устройство (фиг.4, фиг.5), встроенное в прозрачную оболочку, имеющее селективное покрытие на внешней поверхности и выполненное в виде герметичного короба 10, производят нагрев за счет солнечной энергии потока газообразного теплоносителя. Все поверхности внутри короба 10 для увеличения коэффициента радиационной теплоотдачи имеют покрытие с высоким коэффициентом поглощения в инфракрасной области спектра. Внутри короба 10 предусмотрены средства для увеличения поверхности теплообмена и интенсификации теплообмена за счет турбулизации воздушного потока в виде установленных на внутренней стороне задней стенки короба 10 решетки типа жалюзи 11 с покрытием, имеющим высокий коэффициент поглощения в инфракрасной области. Эта решетка поглощает излучение, исходящее от внутренних стенок короба 10, увеличивает поверхность теплообмена с воздушным потоком и турбулизирует воздушный поток, увеличивая коэффициент конвективной теплоотдачи от нагретых поверхностей внутри короба 10.

Прямая солнечная радиация попадает на поверхность теплоприемного устройства, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, описанных вариантов солнечного коллектора, начиная с восхода Солнца и до заката. На рассвете при больших углах падения солнечных лучей, близких к 180^o, когда в известных конструкциях солнечных коллекторов прямая солнечная радиация на теплоприемную поверхность практически не попадает, в предлагаемой конструкции солнечного коллектора солнечная радиация поглощается боковыми элементами теплоприемных устройств и с этого момента начинается прогрев теплоносителя, который продолжается до заката.

Между задней поверхностью теплоприемного устройства и прозрачной оболочкой во всех вариантах солнечного коллектора предусмотрена тепловая изоляция 12.

Для повышения эффективности улавливания солнечной энергии боковыми элементами теплоприемных устройств (фиг.6) предлагаемого солнечного коллектора на каждой из двух боковых цилиндрических поверхностей оболочки радиусом r по всей длине могут устанавливаться пленочные призматические отражатели 13 (см. , например, журнал "Светотехника", 2001 г., 4, стр. 8). Это осуществляется следующим образом. Солнечные лучи 14, попадающие на призматический отражатель 13 с наружной стороны, проходят через него и попадают на боковую сторону теплоприемного устройства. Солнечные лучи 15, попадающие на призматический отражатель 13 с тыльной стороны призматического отражателя, отражаются от него и также попадают на боковую сторону теплоприемного устройства.

Повышение эффективности работы солнечного коллектора достигается также за счет нанесения на внешнюю поверхность теплоприемного устройства (бака 4, панели 7 с боковыми элементами 9, короба 10) высокоэффективного селективного покрытия с высоким коэффициентом поглощения в видимой и ближней инфракрасной области солнечного спектра и высоким коэффициентом отражения в более длинноволновой области спектра.

Все перечисленные конструктивные приемы, обеспечивающие решение поставленных задач в данном изобретении, легко поддаются изготовлению и контролю. Это, в свою очередь, обеспечивает широкое промышленное внедрение изобретения в солнечной энергетике.

Реферат

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева теплоносителя. Солнечный коллектор содержит оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала, состоящую из центральной поверхности, сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей и плоскости, касательной к боковым цилиндрическим поверхностям, две торцевые крышки, теплоприемное устройство внутри оболочки с селективным покрытием на внешней поверхности, при этом центральная поверхность выполнена цилиндрической с радиусом R, две боковые цилиндрические поверхности выполнены с радиусом r, а ширина L оболочки и значения R и r связаны следующими значениями: 5H>R> 3H;

Формула

1. Солнечный коллектор, содержащий замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала, состоящую из центральной поверхности, сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей и плоскости, касательной к боковым цилиндрическим поверхностям, две торцевые крышки, установленные на торцах оболочки, и размещенное в оболочке теплоприемное устройство для передачи тепла теплоносителю, на внешнюю поверхность которого нанесено селективное покрытие, отличающийся тем, что центральная поверхность выполнена цилиндрической с радиусом R, две боковые цилиндрические поверхности выполнены с радиусом r, а ширина L оболочки и значения R и r связаны следующими зависимостями:

5H>R>3H; l,5t>r>(

/2)t; 1,1Н>L>1,05Н,

где Н и t соответственно ширина и толщина теплоприемного устройства.