СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Предлагаемая конструкция солнечного коллектора относится к устройствам, преобразующим энергию солнечного излучения в низкопотенциальное тепло, в частности, в тепло нагреваемой воды.
Известен плоский солнечный коллектор (Bayley W.J. Solar Heater. US Patent 966070. 1910), состоящий из заключенной в снабженный прозрачным ограждением корпус теплоприемной панели, присоединенной к параллельно соединенным по концам гидравлическими коллекторами трубкам, по которым течет вода. Верхняя поверхность теплоприемной панели покрывают слоем краски или специальным покрытием, хорошо поглощающим солнечное излучение, теплоприемную панель теплоизолируют от окружающей среды снизу и по бокам теплоизоляционным материалом, размещаемым в корпусе. Разнообразные конструкции солнечных коллекторов подробно описаны в книге Даффи Дж., Бекман У. Основы солнечной теплоэнергетики. Пер. с англ. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект». 2013. 888 с.
Известны прокатно-сварные и штампосварные теплоприемные панели солнечного коллектора (Левин Г.В., Викторов Д.А. Теплоприемная панель солнечного коллектора. Патент РФ 2325599. Максименко А.А., Лобанов М.В., Ховив Д.А., Зайцев С.В., Харин А.Н. Теплоприемная панель солнечного коллектора. Патент РФ 2450217). Такие панели собираются из свариваемых друг с другом двух металлических листов, а каналы для теплоносителя выполняются профилированием поверхности в результате пластической деформации под действием внутреннего давления плоских листов после их сварки между собой или соединением листов с предварительно выштампованными в них элементами каналов. Основным недостатком солнечных коллекторов с такими панелями является использование в конструкции дорогого металла, из которого изготавливаются теплоприемные панели, и необходимость в несущем корпусе, что приводит к высокой стоимости солнечного коллектора и усложняет технологию его изготовления и сборки.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции является солнечный коллектор (Gough E.W., Irwin P.D. Plastic solar heater. US Patent 3076450), содержащий корпус, теплоизоляцию, расположенную в нижней части корпуса, теплоприемную панель, образованную с верхней стороны пластиной, герметично скрепленной с боковыми стенками корпуса, а с нижней стороны каналами для прокачки теплоносителя, выполненными в виде углублений и выступов на верхней поверхности теплоизоляции, и светопрозрачное ограждение, расположенное над теплоприемной панелью с воздушным зазором и плотно соединенное с боковыми стенками корпуса. Основными недостатками этого устройства являются невысокая эффективность из-за использования пластины из пластика с низкой теплопроводностью, и неспособность выдерживать повышенное давление теплоносителя плоской поглощающей панелью, скрепленной только с боковыми стенками корпуса. Недостатком конструкции также является наличие самостоятельного металлического корпуса, в котором размещена теплоизоляция и теплоприемная панель и к которому крепится светопрозрачное покрытие, что усложняет конструкцию и технологию сборки солнечного коллектора. Дополнительным недостатком является большая емкость каналов, что снижает эффективность нагрева теплоносителя. В результате применение предлагаемой конструкции ограничивается только нагревом с его помощью воды при низком давлении для плавательных бассейнов.
Предлагаемая конструкция решает техническую задачу повышения эффективности и прочности солнечного коллектора, повышения рабочего давления теплоносителя, упрощения технологии изготовления солнечного коллектора и снижения его стоимости.
Указанный технический результат достигается тем, что в солнечном коллекторе, содержащем корпус, теплоизоляцию, расположенную в нижней части корпуса, теплоприемную панель, образованную с верхней стороны пластиной, герметично скрепленной с боковыми стенками корпуса, а с нижней стороны каналами для прокачки теплоносителя, выполненными в виде углублений и выступов на верхней поверхности теплоизоляции, и светопрозрачное ограждение, расположенное над теплоприемной панелью с воздушным зазором и плотно соединенное с боковыми стенками корпуса, корпус, его боковые стенки и теплоизоляция выполнены воедино из одного прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала, верхняя пластина тепло-приемной панели дополнительно плотно и прочно соединена с выступами на верхней поверхности теплоизоляции, выполнена из высокотеплопроводного материала, и ее поверхность, обращенная к светопрозрачному ограждению, снабжена эффективно поглощающим солнечное излучение покрытием.
Предлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность работы солнечного коллектора в результате более эффективного поглощения солнечного излучения верхней пластиной панели, выполненной из высокотеплопроводного материала (металлическая фольга, композит с внедренными в него углеродными волокнами и т.п.) и дополнительно снабженной эффективно поглощающим солнечное излучение покрытием. Повышение прочности солнечного коллектора и повышение рабочего давления теплоносителя обеспечивается в результате дополнительного плотного и прочного соединения пластины теплоприемной панели с выступами на верхней поверхности теплоизоляции. Упрощение технологии изготовления солнечного коллектора и снижение его стоимости обеспечивается в результате выполнения корпуса, его боковых стенок и теплоизоляция воедино из одного прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала. Такое техническое решение позволяет изготавливать солнечный коллектор всего из трех компонентов: прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала, из которого формуется корпус с боковыми стенками, а также с выемками и выступами на верхней его поверхности, образующими каналы для прокачки теплоносителя, пластины теплоприемной панели, плотно и прочно соединяемой с боковыми стенками и выступами с помощью, например, клеевого соединения или, и сетопрозрачного ограждения, плотно соединяемого с боковыми стенками корпуса, например, с использованием выполненных в теплоизоляционном материале при формовании специальных пазов. Сокращение числа компонентов солнечного коллектора упрощает его конструкцию, технологию изготовления и снижает стоимость. Расширяются ниши применения солнечного коллектора не только для нагрева воды для плавательных бассейнов, но и для нагрева воды и других жидких теплоносителей с повышенным давлением (системы горячего водоснабжения и отопления домов и других объектов и т.п.).
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг. 1 и 2.
Солнечный коллектор содержит корпус 1, теплоизоляцию 2, расположенную в нижней части корпуса, теплоприемную панель 3, образованную с верхней стороны пластиной 4, герметично закрепленной с боковыми стенками корпуса 5, а с нижней стороны каналами 6 для прокачки теплоносителя, выполненными в виде углублений 7 и выступов 8 на верхней поверхности теплоизоляции, и светопрозрачное ограждение 9, расположенное над тепло-приемной панелью 3 с воздушным зазором 10 и плотно соединенное с боковыми стенками корпуса 5. При этом корпус 1, его боковые стенки 5 и теплоизоляция 2 выполнены воедино из одного прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала, верхняя пластина 4 теплоприемной панели 3 дополнительно плотно и прочно соединена с выступами 8 на верхней поверхности теплоизоляции 2, выполнена из высокотеплопроводного материала и ее поверхность, обращенная к светопрозрачному ограждению, снабжена эффективно поглощающим солнечное излучение покрытием 11.
Солнечный коллектор работает следующим образом.
Солнечное излучение, падающее на солнечный коллектор, проходит сквозь светопрозрачное ограждение 9 и воздушный зазор 10 и поглощается поглощающим солнечное излучение покрытием 11, нагревая пластину из теплопроводного материала 4. Тепло от нагретой пластины 4 вследствие прямого теплового контакта теплоносителя с внутренней поверхностью нагреваемой солнечным излучением пластины 4 передается теплоносителю, прокачиваемому через систему каналов 6. Из зон плотного и прочного соединения пластины 4 с выступами 8 тепло по пластине, выполненной из высокотеплопроводного материала, теплопроводностью передается в прилегающие зоны пластины, находящиеся в прямом контакте с теплоносителем, и далее снимается теплоносителем. Нагретый теплоноситель направляется из солнечного коллектора потребителю.
Заявляемое техническое решение прошло проверку на основе расчетного и физического моделирования работы солнечного коллектора предлагаемой конструкции, а также на основе прочностных расчетов, выполненных в ОИВТ РАН.
Полученные результаты моделирования показали преимущества предлагаемой конструкции солнечного водонагревателя, позволяющей на 7…10% повысить эффективность его работы по сравнению с прототипом, а прочностной расчет подтвердил возможность работы коллектора при давлении теплоносителя до 1 МПа. Проработка технологии изготовления компонентов солнечного коллектора и его сборки, выполненная специализированной технологической компанией ЗАО «Политермо», показала возможность упрощения технологии производства и снижения стоимости солнечного коллектора в 1,5-2 раза.