СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
SOLAR COLLECTOR FOR OPERATION IN CONDITIONS OF NORTHERN TERRITORIES

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к устройствам для преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую, и может быть использовано для обеспечения объектов бытового и промышленного назначения горячей водой в условиях северных территорий с низкой освещенностью, при высоких снежных нагрузках и с низкими температурами.
Известен солнечный коллектор, в котором солнечные лучи проходят через три слоя из светопрозрачного пластика, два слоя из которых в виде перфорированных гофрированных листов являются защитными покрытиями, а третий слой внешним элементом поглотителя. (RU, п. 2126517, F24J 2/24) Недостатком такой конструкции коллектора являются значительные потери светового потока из-за применения перфорированных гофрированных листов в качестве прозрачного защитного покрытия, при эксплуатации которых в условиях больших городов и частых атмосферных осадков, из-за большого загрязнения внутренней и внешней поверхностей между перфорированными листами требуется постоянная очистка от пыли и грязи. Кроме того, данный солнечный коллектор работает только на тепловом инфракрасном излучении Солнца, и не используемыми остаются другие виды спектра.
Из уровня техники известны коллекторы солнечного излучения (RU, п. 851012, F24J 3/02 и п. 2044231, F24J 2/50) с использованием фотоэлементов, с помощью которых часть солнечной энергии, поглощенной фотоэлементами, преобразуется в электричество, другая часть - в тепло, которое передается теплоносителю. Каждый из указанных коллекторов содержит трубопровод с теплоносителем, контактирующим с теплопоглощающим элементом, на котором установлены фотоэлементы, и светопрозрачное ограждение. Недостатком коллектора по п. 851012 является его низкая эффективность за счет загрязнения прозрачной поверхности светопрозрачного ограждения имеющимися в атмосфере заряженными пылевидными частицами и притягивающимися к ограждению под действием электростатических сил, в результате чего затрудняется подвод солнечного потока непосредственно к коллектору и, как следствие, уменьшается выходная мощность его. В техническом решении по п. 2044231 задача по очистке прозрачной поверхности от заряженных пылевидных частиц решается за счет нейтрализации электростатического поля коллектора путем введения электропроводящего покрытия светопрозрачного ограждения и соединения его через клемму заземления с землей. При этом, поскольку электропроводящее покрытие имеет заземление, собственное электрическое поле солнечного коллектора замыкается внутри электропроводящего покрытия и направленное движение заряженных частиц к коллектору прекращается.
Основная задача данного коллектора - это очистка от пыли и грязи, в условиях же северных территорий с низкой освещенностью, при высоких снежных нагрузках и с низкими температурами работа этого коллектора не эффективна.
В качестве прототипа принят солнечный коллектор для работы в условиях северных территорий. Солнечный коллектор для нагрева жидкого теплоносителя содержит герметичный корпус с прозрачной панелью, размещенное внутри герметичного корпуса теплоприемное устройство для передачи тепла теплоносителю, выполненное в виде панели, состоящей из двух соединенных между собой элементов - внутреннего, имеющего развитую поверхность в виде гофр, и внешнего - плоского, образующих достаточно большое количество замкнутых каналов для прохождения теплоносителя, связанных с патрубками для подачи и забора теплоносителя; теплоизоляцию, расположенную между корпусом и панелью, и боковую теплоизоляцию, расположенную с боковых сторон корпуса; специальный клапан для регуляции подачи теплоносителя в каналы теплоприемной панели; подачу холодной воды из источника и отвод нагретой воды потребителю через бойлер. (RU, п. 2350852, F24J 2/24). Данный коллектор может работать в условиях низких температур с нагревом теплоносителя до высоких температур (более 100°) за счет конструкции теплоприемной панели, выполненной с достаточно большим числом транспортных каналов, а также выполнением внешнего плоского элемента из прозрачного материала толщиной 01-4 мм, например гелеотехнического стекла или упрочненного стекла с хорошей проводимостью всех видов спектров, в том числе и УФ-спектра, и внутреннего элемента, выполненного из материала с хорошей поглощающей способностью и теплопроводностью, что и обеспечивает возможность эксплуатации солнечного коллектора солнечной энергии в условиях северных территорий с низкой освещенностью и наличием в основном холодных спектров излучения (например, ультрафиолетового спектра). Однако такие сложные условия северных территорий как выпадение снежного покрова и длительные периоды ночного времени, резко снижают эффективность работы коллектора, поскольку требуется значительное время для очистки прозрачной панели от снежного покрова путем изменения температурного режима теплоносителя, что приводит к дополнительному потреблению тепловой энергии самим солнечным коллектором и использованию электроэнергии для питания циркулярных насосов, то есть возникает необходимость в использовании дополнительного источника энергии. Удалить же снежный покров механическим способом не всегда возможно, так как солнечные коллекторы могут размещаться в труднодоступных местах.
Техническим результатом заявленного технического решения является разработка конструкции солнечного коллектора, обеспечивающего устойчивую эксплуатацию коллектора за счет максимальной эффективности использования солнечной энергии в условиях северных территорий с низкой освещенностью, с высокими снежными нагрузками и низкими температурами без использования при этом дополнительных источников энергии
Технический результат достигается тем, что солнечный коллектор содержит герметичный корпус с прозрачной верхней панелью, размещенное внутри герметичного корпуса теплоприемное устройство с транспортными каналами для теплоносителя, связанными с входным и выходным патрубками для подачи и забора теплоносителя, при этом коллектор дополнительно содержит фотоэлементы, размещенные в виде полосы по периметру в верхней части корпуса, прозрачный токопроводящий элемент, установленный между фотоэлементами и прозрачной верхней панелью, и электрическую цепь, состоящую из блока управления, аккумулятора и датчика давления снежного покрова, установленного на прозрачной верхней панели. Входы блока управления соединены с фотоэлементами, с аккумулятором и датчиком давления снежного покрова, а выход - с прозрачным токопроводящим элементом.
Кроме того, теплоприемное устройство выполнено в виде трубчатого коллектора. Кроме того, блок управления снабжен выключателем.
Наличие в коллекторе фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в тепловую и в электрическую энергии, а также электрической цепи, включающей блок управления, аккумулятор и датчик давления снежного покрова, связанной с фотоэлементами и с прозрачным токопроводящим элементом и обеспечивающей с помощью блока управления заряд аккумулятора в условиях солнечной погоды с целью аккумулирования электрической энергии и разряд аккумулятора на прозрачный токопроводящий элемент при снежном покрове через датчик давления снежного покрова, а в пасмурную и морозную погоду - через выключатель блока управления с целью нагрева прозрачной верхней панели, обеспечивает устойчивую эксплуатацию коллектора в условиях северных территорий без привлечения дополнительных источников энергии.
На фиг.1 - общая схема.
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1
Коллектор содержит герметичный корпус 1 с прозрачной верхней панелью 2 из гелиотехнического стекла (фиг.2). Внутри герметичного корпуса 1 размещено теплоприемное устройство 3, выполненное в виде трубчатого коллектора с транспортными каналами для прохождения теплоносителя 4, связанными с входным и выходным патрубками 5, 6, соответственно для подачи и забора теплоносителя 4. Для регуляции подачи теплоносителя 4 в каналы теплоприемного устройства 3 установлен специальный клапан 7. Верхняя часть корпуса 1 выполнена со ступенчатым расширением по всему периметру, в котором размещены фотоэлементы 8 в виде полосы. Между фотоэлементами 8 и прозрачной верхней панелью 2 установлен прозрачный токопроводящий элемент 9. В коллекторе используются фотоэлементы, например, полупроводниковые на основе различных модификаций кремния или арсенида галлия. Кроме того, коллектор содержит электрическую цепь (фиг.1), связывающую фотоэлементы 7 и прозрачный токопроводящий элемент 9 и состоящую из блока управления 10, аккумулятора 11 и датчика давления 12 снежного покрова. Через входы блок управления 10 соединен с фотоэлементами 8, датчиком давления 12 снежного покрова и аккумулятором 11, а через выход - с прозрачным токопроводящим элементом 9. Блок управлении 10 предназначен для задания режима работы солнечного коллектора в зависимости от погодных условий, а именно для управления процессом заряда аккумулятора 11 в условиях солнечной погоды и разряда аккумулятора на токопроводящий элемент 9 при наличии снежного покрова на поверхности прозрачной верхней панели 2, а также для разряда аккумулятора в пасмурную погоду. Для разряда аккумулятора 11, с целью использования аккумулированной энергии в пасмурную погоду, используют выключатель 13, установленный на блоке управления 10. Датчик давления 12 снежного покрова установлен на прозрачной верхней панели 2 и предназначен для определения плотности снежного покрова на ее поверхности. Между корпусом и теплоприемным устройством, а также с боковых сторон корпуса размещена теплоизоляция 14 для снижения тепловых потерь с внутренней и боковых сторон корпуса 1. Подача холодной воды 15 из источника и отвод горячей воды 16 потребителю осуществляется через бойлер 17.
Коллектор работает следующим образом.
Солнечное излучение, проходящее через прозрачную верхнюю панель 2 и прозрачный токопроводящий элемент 9, поглощается фотоэлементами 8 и теплоприемным устройством 3. Часть солнечной энергии, поглощенной фотоэлементами 8, преобразуется в электрическую энергию, а другая часть - в тепловую энергию, передающую тепло теплоприемному устройству 3. Солнечное излучение, поглощенное прозрачной верхней панелью, полностью превращается в тепловую энергию, которая непосредственно передает тепло теплоприемному устройству 3, внутренняя поверхность которого посредством теплопроводности нагревает теплоноситель 4, при этом определенная температура нагрева теплоносителя обеспечивается регулированием его подачи через патрубок подачи 5 специальным клапаном 7. Через патрубок забора 6 теплоноситель 4 собирается и подается в бойлер 17, где холодная вода 15 из источника нагревается от теплоносителя 4 за счет теплопроводности и как горячая вода 16 подается потребителю. Теплоизоляция 14, расположенная между корпусом и теплоприемным устройством, а также боковая теплоизоляция позволяют максимально снизить тепловые потери корпуса. В светлое время суток, в нормальном режиме функционирования солнечного коллектора, одновременно с вырабатыванием тепловой энергии, передаваемой потребителю, происходит и заряд аккумулятора 11 от фотоэлементов 8 через блок управления 10, куда поступает электрический ток, вырабатываемый фотоэлементами 8. При выпадении снега срабатывает датчик давления 12 снежного покрова, блок управления 10 выдает команду для разряда аккумулятора и подачи электрического тока на прозрачный токопроводящий элемент 9, контактирующий с прозрачной верхней панелью 2, в результате чего прозрачная панель 2 нагревается. При нагревании прозрачной верхней панели происходит таяние снежного покрова, что позволяет солнечному коллектору выходить на рабочий режим без затрат дополнительной электрической и тепловой энергии. В случае продолжительной пасмурной, морозной погоды нагрев прозрачной панели 2 осуществляется путем разряда аккумулятора с помощью выключателя 13 блока управления 10.