СОЛНЕЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ С ЗАЩИТОЙ ОТ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ
SOLAR HEATER WITH PROTECTION AGAINST PRECIPITATION

Предлагаемое изобретение относится к энергетике, в частности к использованию одного из самых перспективных видов возобновляемых источников энергии - солнечного излучения - и может быть применено в системах теплоснабжения, в первую очередь, жилых и других некрупных объектов.
Среди известных солнечных установок в наибольшем разнообразии представлены маломощные как гелиоэлектрические, так и тепловые преобразователи. В числе последних широко используются нагреватели всевозможных конструкций - от самых примитивных до сложнейших, где затраты на их изготовление и установку не всегда оправданы реальными показателями их эффективности и надежности.
Для иллюстрации достаточно привести один из примеров сложных технических решений данной проблемы, а именно: "Теплообменник солнечной энергии" (патент RU №2169318 C1, F24J 2/06, 2001 г.). В его формуле изобретения сказано "Теплообменник солнечной энергии, содержащий камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала и торцевыми крышками с патрубками, в полости которой соосно с ней расположена цилиндрическая металлическая трубка для прохождения рабочей среды, а также концентратор солнечного излучения, установленный с возможностью изменения его ориентации относительно Солнца, отличающийся тем, что концентратор солнечного излучения выполнен в виде систем зеркал и цилиндрических собирающих линз, расположенных параллельно оси камеры на фокусном расстоянии от поверхности металлической трубки и не превышающих длины трубки между торцевыми крышками, а также снабженный механизмом вращения его вокруг камеры, включающим систему слежения в течение дневного времени за постоянным расположением Солнца, центральной линии центрально расположенной цилиндрической собирающей линзы и линии сфокусированного ею солнечного излучения на поверхности металлической трубки на условной плоскости, перпендикулярной к касательной плоскости, проведенной через линию сфокусированного солнечного излучения на поверхности металлической трубки, причем теплообменник установлен с возможностью изменения угла наклона его относительно земли для обеспечения перпендикулярного падения солнечных лучей на поверхность металлической трубки в зависимости от месторасположения Солнца на небосводе в течение года".
Рассматривая описание и графические материалы этого изобретения, не трудно оценить всю сложность (взять хотя бы изготовление цилиндрических собирающих линз) и высокую стоимость данной конструкции, которая к тому же даже при хороших показателях в нормальных эксплуатационных условиях, совершенно не защищена от воздействия атмосферных осадков, особенно опасных в зимнее время.
Наиболее близким по конструкции аналогом заявляемого солнечного нагревателя является преобразователь солнечной энергии (патент RU №2160875 C1, F24J 2/12 от 27.04.1999), принятый за прототип. Он содержит вогнутый отражающий лучи концентратор, в фокусе которого помещен приемник солнечной энергии, выполненный в виде трубы, внутри которой размещен теплоноситель, и отражающие элементы; вогнутый отражающий концентратор выполнен в форме параболы и установлен с возможностью вращения вокруг трубы, отражающие пластины установлены с зазором между собой на наружной поверхности трубы, параллельно ее оси и перпендикулярно касательной, проведенной к окружности трубы, при этом на поверхность трубы нанесено светопоглощающее покрытие.
Данное устройство отличается простотой конструкции концентратора лучей - параболического рефлектора - и системы его поворота при ориентации на источник излучения. Однако наряду с такой системой поворота вокруг трубы он дополнительно оснащен более сложной системой поворота в другой координатной плоскости, что связано с необходимостью точной установки в условиях меняющегося склонения нашего светила. Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести и значительные теплопотери открытого приемника солнечной энергии и его незащищенность, как и зеркальной поверхности концентратора, от атмосферных осадков.
Задачей технического решения, положенного в основу заявляемого устройства, является создание несложного солнечного нагревателя с простейшим и вместе с тем высокоэффективным коллектором и облегченным параболическим рефлектором с самозащитой от атмосферных осадков, обеспечивающей надежную и долговечную работу нагревательной установки практически без ухода за ее рабочими поверхностями.
Эта задача решается тем, что в предлагаемом солнечном нагревателе, имеющем коллектор в прозрачной теплоизолирующей оболочке, с параболическим рефлектором, оснащенным автоматическим устройством ориентации на источник излучения, согласно изобретению коллектор выполнен в виде коаксиальной трубной конструкции с продольным размером ее абсорбера, превышающим продольный размер параболического рефлектора, а последний оснащен приводом, обеспечивающим наряду с автоматическим поддержанием ориентации на Солнце в рабочем режиме также автоматический поворот параболоида на время перерыва солнечного облучения в верхнее положение, при котором все рабочие поверхности устройства закрыты от атмосферных осадков.
Коаксиальный трубный абсорбер позволяет упростить теплообменник, снизить теплопотери и обеспечить удобство его сопряжения с внешними трубопроводами, поскольку при данной конструкции входной и выходной патрубки располагаются у основания заявляемого устройства, то есть в наиболее удобном месте для подключения системы обогрева.
Увеличенная по сравнению с размером параболоида длина абсорбера позволяет при ориентации на источник излучения обходиться без ее коррекции на изменение солнечного склонения, так как отраженные лучи, выходящие за пределы самого рефлектора, все равно упадут на абсорбер. В данном случае такое техническое решение по эффективности равносильно оснащению рефлектора плоскими торцовыми стенками с внутренними зеркальными поверхностями, усложняющему конструкцию и снижающему ее устойчивость против ветровых нагрузок.
Оснащение привода рефлектора простейшей автоматикой, обеспечивающей поворот последнего в верхнее положение при отсутствии солнечного облучения, позволяет предупредить всякое воздействие дождя, града, снега или гололеда на рабочие поверхности абсорбера и отражателя.
Устройство предлагаемого солнечного нагревателя поясняется чертежами: на фиг. 1 показан общий вид с продольным разрезом рефлектора, на фиг. 2 изображено его поперечное сечение, на фиг. 3 - разрез верхнего участка абсорбера.
На опорном основании 1 расположена стойка 2 высотой, обеспечивающей все требования безопасной работы данного устройства. На стойке 2 установлен под углом φ к горизонтали, соответствующим географической широте данной местности, коллектор 3, ось которого расположена в плоскости меридиана, т.е. параллельно земной оси. Коллектор 3 выполнен в виде цилиндрического абсорбера 4 с селективным покрытием, защищенного от теплопотерь поликарбокатной оболочкой 5 с вакуумированным разделяющим пространством. Внутри абсорбера 4 расположена отводящая теплоноситель труба 6 с отверстиями в стенке у верхнего конца, которая имеет термоизоляционное покрытие, например, известными органосиликатным составом «Силтэк», «Броня», «Корунд» и т.п. Сама же стойка 2, являющаяся также звеном в контуре подачи теплоносителя, тоже имеет наружную теплоизоляцию.
Параболоцилиндрический рефлектор 7 оснащен полноповоротным приводом 8, в схеме автоматического управления которым имеются фотодатчики прямого солнечного излучения. Фотодатчик 9 всегда доступен солнечным лучам, два других фотодатчика 10 задействованы в системе слежения, и при строгой ориентации устройства на Солнце оба одновременно скрыты от него шторкой 11.
Сам рефлектор 7, изготовленный, например, из листового металла с зеркальной рабочей поверхностью, собран из отдельных секций, позволяющих унифицировать эти модули при изготовлении нагревателей различной мощности. Секции имеют предельно простую конструкцию, состоящую из каркаса с параболическими направляющими из легкого металлопроката (например, уголка) и скрепленного с ними и с их связями металлического листа, что обеспечивает необходимую жесткость и постоянство формы всей секции. Установки с большим количеством таких секций - при работе в условиях повышенных ветровых и снеговых нагрузок - могут быть оснащены дополнительной опорой, связанной с верхним концом коллектора 3. К средней части верхней кромки рефлектора 7 примыкает защитный козырек 12.
При необходимости резервирования энергоисточника для работы привода 8, а также нагнетателя в системе циркуляции теплоносителя заявляемое устройство комплектуется автономным, например, солнечным источником электроэнергии с аккумулятором, которые во всем своем многообразии находятся ныне в массовом производстве.
Солнечный нагреватель работает следующим образом. При наличии прямого излучения фотодатчик 9 включает привод в системе циркуляции теплоносителя, датчик потока последнего запускает привод 8, поворачивающий рефлектор 7 в сторону освещенного фотодатчика 10. При этом второй датчик 10, находящийся за пластиной - кронштейном шторки 11, - обязательно оказывается в тени. Как только оба фотодатчика 10 закрываются от солнца этой шторкой, привод 8 останавливается: солнце окажется примерно в плоскости симметрии рефлектора 7, а отраженные им лучи сфокусируются на абсорбере 4, нагреют его, а следовательно, и теплоноситель, который через отводящую трубу 6 проследует вниз, т.е. в систему теплоснабжения. Теплопотери в окружающее пространство резко снижаются благодаря селективному покрытию абсорбера 4, задержке его прозрачной оболочкой 5 инфракрасного излучения и вакуумированному пространству между ними. Дальнейшая ориентация рефлектора 7 поддерживается автоматически - короткими включениями привода 8 при смещении Солнца и срабатывании оказавшегося под его прямыми лучами фотодатчика 10.
При сезонном изменении солнечного склонения отраженные лучи падают также на участки коллектора 3 за пределами торцов рефлектора 7, в результате чего общее теплопоглощение абсорбера 4 практически не снижается.
При исчезновении прямого солнечного облучения, после некоторой выдержки времени, отключается циркуляция теплоносителя, а рефлектор 7 поворачивается в положение, показанное на фиг. 2 штрихпунктирной линией, закрывая собой и козырьком 12 все рабочие поверхности устройства от возможных атмосферных осадков.
С появлением Солнца устройство возвращается в рабочее положение.
Таким образом, простейшая конструкция предлагаемого солнечного нагревателя обеспечивает его высокоэффективную работу в режиме автоматического слежения, повышает его эксплуатационный ресурс благодаря надежной защите всех рабочих поверхностей от всяких атмосферных осадков, а также гололеда (обледенения), устраняет необходимость выполнения работ по очистке этих поверхностей.