АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Автоматизированный солнечный полимерный коллектор (далее АСПК) относится к возобновляемым источникам энергии и предназначен для круглогодичного снабжения различных потребителей горячей водой и обогрева жилых, нежилых помещений, а также объектов военного назначения стационарного и полевого базирования.
2
2
Известно изобретение Солнечный коллектор, патент на изобретение №2023214 С1, F24J 2/24, F24J 2/48 от 15.11.1994 г. [1], содержащее корпус из полимерного пористого материала, каналы для теплоносителя и два слоя прозрачной изоляции, верхний из которых выполнен в виде крышки, жестко связанной со стенками корпуса, при этом пористость полимерного материала увеличивается в направлении от наружной к внутренней поверхности корпуса. Внутренняя поверхность корпуса со стороны дна имеет перегородки, нижний слой прозрачной изоляции жестко связан с перегородками с образованием каналов для теплоносителя, а полимерный материал выполнен черным и его пористость увеличивается в направлении от внутренней к наружной поверхности с образованием наибольшей пористости в середине элементов корпуса. Основным недостатком указанного изобретения являются: необходимость организации производства специального пористого полимерного материала с переменной пористостью по толщине; изготовление нижнего слоя прозрачной гофрированной изоляции аркообразного типа требует специальной технологической оснастки, что усложняет производство и увеличивает стоимость солнечного коллектора. Кроме того, в описании изобретения отсутствуют сведения о герметичности перегородок трапециевидной формы, также жесткая связь прозрачной гофрированной изоляции аркообразного типа не указывает на необходимость герметичного соединения с перегородками трапециевидной формы, таким образом, теплоносящая жидкость будет впитываться в пористый полимерный материал, что приведет к низким показателям эффективности работы изобретения. Известен солнечный тепловой коллектор, патент на изобретение №2330218 С2, F24J 2/36 от 20.02.2008 г. [2], содержащий рабочую панель со встроенным в нее трубчатым коллектором с подводящим и отводящим патрубками для теплоносителя, и эластичную камеру. Рабочая панель и встроенный в нее трубчатый коллектор изготовлены из пластичных полимерных материалов с высокими светотеплопоглощающими свойствами, на рабочей поверхности панели используется сменная гофрированная теплопоглощающая пленка, а в качестве теплоносителя используется газ CO или CO, или комбинация газа CO или CO и незамерзающей жидкости (газированная жидкость).
Известен полимерный солнечный коллектор, патент на полезную модель №84093 U1, F24J 2/00 от 27.06.2009 г. [3], содержащий корпус, в котором размещены: теплопоглощающая панель из непрозрачного или полупрозрачного теплостойкого и стойкого к ультрафиолету полимерного материала в виде плоской пластины с продольными каналами; прозрачная теплоизоляция, выполненная из листового или сотового полимерного материала; теплоизоляция нижней и боковых сторон теплопоглощающей панели; коллекторные трубки, присоединенные к торцевым сторонам теплопоглощающей панели с помощью упругого герметизирующего материала, обе коллекторные трубки стягиваются друг к другу металлическими хомутами, располагающимися как минимум по краям. Основным недостатком указанной полезной модели является наличие специальной теплоизоляции внутри корпуса, а также наличие многочисленных стягивающих хомутов, что снижает эксплуатационные качества полимерного солнечного коллектора. Кроме того, соединение коллекторных трубок к торцевым сторонам теплопоглощающей панели с помощью упругого герметизирующего материала не является надежным по сравнению с резьбовыми соединениями. Особо следует отметить, что эффективность полимерных солнечных коллекторов несколько хуже, чем солнечных коллекторов выполненных из металлических трубок с теплоприемной панелью из медных или алюминиевых листов, поэтому необходимы технические решения, направленные на устранение этого недостатка.
В качестве прототипа авторами выбрано изобретение [1].
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является снижение стоимости, металлоемкости и веса, улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик, упрощение технологии изготовления и монтажа, а также обеспечение возможности использования АСПК в стационарных и полевых условиях расположения воинских подразделений.
Заявленная полезная модель имеет по сравнению с аналогами и прототипом следующие отличия:
- наличие легкого корпуса, который выполнен из алюминиевого профиля П-образной формы, внутренняя и наружная поверхности которого покрыты теплоизолирующей краской;
- применение трех отдельных листов сотового поликарбоната, причем первый лист - прозрачный толщиной 4 мм выполняет функцию прозрачной изоляции, второй лист толщиной 16 мм окрашен в черный цвет высокоселективной краской и выполняет функцию теплоприемной панели, третий лист толщиной 16 мм служит для теплоизоляции, внешняя и нижняя поверхности которой покрашены теплоизолирующей краской;
16
33
18
33
- наличие в теплоприемной панели прямоугольных сотовых каналов, заполненных с чередованием через один парафином нефтяным спичечным марки HC с температурой плавления не ниже 42°C (фракция CH-CH) и теплоносящей жидкостью на основе этиленгликоля, позволяет значительно повысить теплоемкость и энергетическую эффективность АСПК;
- наличие задней стенки корпуса, выполненной из армированного поликарбоната, у которой наружная и внутренняя поверхности окрашены теплоизолирующей краской, что уменьшает толщину и теплопотери, а также улучшает эффективность работы АСПК;
- наличие на внешней поверхности теплоизолирующей панели из сотового поликарбоната дополнительного покрытия светоотражающей пленкой, которая отражает тепловые лучи для нагрева парафина и теплоносителя, находящегося в сотах теплоприемной панели, что повышает температуру нагрева и улучшает эффективность работы АСПК по назначению;
- применением клея-герметика, который, являясь стойким к высоким и низким температурам, обеспечивает простоту технологии сборки теплоприемной панели с верхней и нижней пропиленовыми коллекторными трубами, что улучшает эксплуатационные характеристики АСПК;
- применение электронагревателя в нижней пропиленовой коллекторной трубе в целях поддержания заданной температуры теплоносящей жидкости;
- наличие клапана избыточного давления и датчиков температуры, обеспечивающих надежность круглогодичной эксплуатации АСПК;
- наличие пленочных фотоэлектрических модулей, которыми покрыты внешние поверхности алюминиевого П-образного корпуса и задняя стенка АСПК;
- наличие аккумуляторных батарей, используемых в целях накопления электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими модулями для обеспечения подогрева, в необходимых случаях, теплоносящей жидкости электронагревателем;
- наличие наружного отдельного листа сотового поликарбоната, верхняя поверхность которого покрыта светоотражающей пленкой, а сам лист укладывается непосредственно за солнечным коллектором на месте его установки в целях обеспечения дополнительного освещения пленочных фотоэлектрических модулей, расположенных на внешней стороне задней стенки.
Указанные отличия обеспечивают новизну принятых технических решений, чем достигается техническая задача полезной модели.
Сущность полезной модели поясняется на следующих рисунках: фиг. 1 - общий вид сверху АСПК частично в разрезе; фиг. 2 - вид АСПК в поперечном разрезе; фиг. 3 - принципиальная схема передачи энергии солнечной радиации теплоносящей жидкости; фиг. 4 - схема зарядки аккумуляторных батарей; фиг. 5: а - положение сильфона в расплавленном парафине, б - положение сильфона в твердом парафине.
16
32
18
38
АСПК содержит: солнечный коллектор 1 (фиг. 1, фиг. 4), содержащий: алюминиевый корпус П-образной формы 2; заднюю стенку 3 из армированного поликарбоната; прозрачную изоляцию 4, выполненную из сотового поликарбоната толщиной 4 мм; теплоприемную панель 5, выполненную из черного сотового поликарбоната, толщиной 16 мм, прямоугольные соты которой через одну заполнены парафином 6 нефтяным спичечным марки HC с температурой плавления не ниже 42°C (фракция CH-CH) и теплоносящей жидкостью 7, изготовленной на основе этиленгликоля; теплоизолирующую панель 8, выполненную из сотового поликарбоната толщиной 10 мм; светоотражающую пленку 9, которой покрыта внешняя поверхность теплоизолирующей панели 8; пропиленовые патрубки 10, 11 для подачи соответственно холодного и забора горячего теплоносителя; верхнюю 12 и нижнюю 13 коллекторные трубы диаметром 32 мм, выполненные из пропилена, которые герметично с помощью термостойких клеев-герметиков соединены с теплоприемной панелью 5; клапан избыточного давления 14; электронагреватель 15; фотоэлектрические модули 16; аккумуляторные батареи 17; наружный отдельный лист сотового поликарбоната 18, верхняя поверхность которого покрыта светоотражающей пленкой и укладывается за солнечным коллектором на месте его установки; датчик температуры 19; реле-регулятор 20; стойка регулировочная 21; сильфоны 22, расположенные в начале и в конце прямоугольных сотовых каналов теплоприемной панели 5, только заполненных парафином 6 марки HC. Указанные составные части конструктивно объединены в единую технологическую систему обеспечивающую решение поставленной технической задачи.
АСПК работает следующим образом. Солнечная радиация проникает через прозрачную изоляцию 4 из сотового поликарбоната толщиной 4 мм и нагревает черную поверхность теплоприемной панели 5 из сотового поликарбоната толщиной 16 мм. Одновременно в прямоугольных сотовых каналах теплоприемной панели 5 нагреваются теплоносящая жидкость 7 и парафин 6 марки НС, находящиеся в прямоугольных сотовых каналах с чередованием через одну соту. Парафин 6 марки НС обладает очень высокой теплоемкостью и низкой теплопередачей, что позволяет накапливать и постепенно передавать тепло теплоносящей жидкости 7 находящейся в соседних прямоугольных сотовых каналах в течение 2-3 часов после захода Солнца. Светоотражающая пленка 9, отражая тепловые лучи, дополнительно отдает тепло парафину 6 марки HC 6 и теплоносящей жидкости 7. Таким образом, 87%-90% энергии солнечной радиации, падающей на теплоприемную панель 5, выполненную из черного сотового поликарбоната, полностью поглощается теплоносящей жидкостью 7 и парафином 6 марки HC. Нагретая таким способом теплоносящая жидкость 7, через коллекторную трубу 12, которая служит для накопления горячего теплоносителя, и патрубок 11 подается потребителю. В светлое время суток фотоэлектрические модули 16 от действия прямых и отраженных от наружного листа сотового поликарбоната 18 лучей солнечной радиации постоянно заряжают аккумуляторные батареи 17. Когда температура теплоносящей жидкости в верхней коллекторной трубе 12 достигнет значения +45°C, реле-регулятор 20 по сигналу датчика температуры 19 подключает электронагреватель 15 к аккумуляторным батареям 17. Так достигается сбалансированное минимальное потребление традиционной электроэнергии. После захода Солнца, нагретый в течение дня парафин 6 марки HC, в течение 2-3 часов продолжает отдавать тепло теплоносящей жидкости 7, находящейся в соседних прямоугольных сотовых каналах. Охлажденная теплоносящая жидкость 7 на основе этиленгликоля поступает через патрубок 10 в коллекторную трубу 13, которая служит для накопления охлажденной теплоносящей жидкости на основе этиленгликоля, и далее направляется в только прямоугольные сотовые каналы, теплоприемной панели 5, предназначенные для заполнения теплоносящей жидкостью. Теплоносящая жидкость 7 на основе этиленгликоля, обеспечивает круглогодичную эксплуатацию АСПК. Стойка регулировочная 21 служит для установки угла наклона а АСПК к горизонту, угол α (фиг. 4) должен соответствовать широте местности, где эксплуатируется АСПК. Известно, что при остывании парафин 6 марки HC уменьшается в объеме на 10-12%, поэтому для компенсации изменения этого объема применяются сильфоны 22, расположенные в начале и в конце прямоугольных сотовых каналов теплоприемной панели 5, только заполненных парафином 6 марки HC. Сильфоны 22 вставляются в сотовые каналы теплоприемной панели 5, когда парафин 6 марки HC находится в расплавленном состоянии при температуре не ниже 55°C. После установки сильфонов 22 в соответствующие прямоугольные сотовые каналы теплоприемной панели 5 они фиксируются с помощью клея-герметика. В этом случае воздух, находящийся в сильфоне 22, сжат (фиг. 5, а). По мере остывания парафина 6 марки HC сжатый воздух в сильфоне 22 расширяется (фиг. 5, б), компенсируя уменьшение объема парафина 6 марки HC.
Устройство и взаимодействие составных частей АСПК составляет единую технологическую систему, обеспечивающую автоматизированное круглогодичное теплоснабжение потребителей, а применение в конструкции АСПК полимерных материалов снижает его вес и стоимость эксплуатации.
Источники информации
1. Солнечный коллектор, патент на изобретение №2023214 C1, F24J 2/24, F24J 2/48 от 15.11.1994 г.
2. Солнечный тепловой коллектор, патент на изобретение №2330218 С2, F24J 2/36 от 20.02.2008 г.
3. Полимерный солнечный коллектор, патент на полезную модель №84093 U1, F24J 2/00 от 27.06.2009 г.