СОЛНЕЧНЫЙ САМОНАВОДЯЩИЙСЯ КОЛЛЕКТОР-НАГНЕТАТЕЛЬ
SOLAR SELF-GUIDED COLLECTOR-SUPERCHARGER

Изобретение относится к области энергетики, в частности к солнечным энергоустановкам, и может быть использовано для отопления жилых и производственных помещений, других объектов, а также в иных бытовых и технологических целях.
Во всех известных солнечных коллекторах (СК), располагаемых, как правило, выше подключаемых к ним объектов, необходимым элементом схемы теплообмена является нагнетатель для обеспечения циркуляции теплоносителя, так как при таком расположении нагревателей естественная конвекция невозможна.
Использование нагнетателей, как и систем ориентации СК, требует для работы их приводов наличия энергоисточника, а также обслуживания и контроля их исправности.
Все это усложняет эксплуатацию данных систем, а при отсутствии энергоисточника для привода нагнетателя даже исключает саму возможность их использования.
Альтернативные технические решения по обеспечению принудительной конвекции жидкого либо газообразного теплоносителя, а также самонаведения СК на источник излучения без использования внешнего энергоисточника пока не известны.
Задачей разработки заявляемого устройства является создание конструкции энергонезависимого самонаводящегося СК, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя.
Согласно изобретению, задача решается путем замены в известных СК пассивных абсорберов подвижными теплопоглощающими панелями, перемещающимися внутри коллектора под действием теплочувствительных элементов (ТЧЭ), а также использованием последних и в приводе устройства самонаведения СК.
А именно, для решения указанной задачи солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель, содержащий абсорбер с прозрачным ограждением, а также устройство самоориентации на источник излучения, согласно изобретению, имеет деформирующийся при нагревании абсорбер, обеспечивающий, подобно известному диафрагменному насосу, циркуляцию теплоносителя в системе солнечного теплоснабжения, а также снабжен энергонезависимым устройством его самоориентации на источник излучения в виде, например, нагреваемой солнцем теплочувствительной пластины, закрепленной на опорной конструкции и кинематически связанной с поворотным основанием коллектора.
Подвижные теплопоглощающие панели, перемещаемые теплочувствительными элементами, подобно рабочей пластине диафрагменного насоса, циклически изменяют объем полости коллектора, обеспечивая всасывание теплоносителя, а затем проталкивая его в отходящий канал. (Кстати, такой принцип работы применим и для иных теплообменников с целью обеспечения циркуляции нагреваемого теплоносителя без электроприводных нагнетателей.)
Применение теплочувствительной пластины в приводе ориентации СК позволяет отслеживать положение солнца, автоматически наводить на него коллектор и таким образом в продолжение всего светового дня поддерживать его оптимальное облучение без использования систем слежения, подключаемых к какому-либо энергоисточнику.
Устройство солнечного коллектора-нагнетателя поясняется показанным на фиг.1 его общим видом, на фиг.2 - видом сверху, а также упрощенными изображениями сечений верхней части коллектора - на фиг.3, клапана отводящего канала - на фиг.4 и клапана на канале подачи теплоносителя - на фиг.5.
Каркас коллектора составляют рамы 1 с прозрачными ограждениями 2, а также примыкающие приточные трубы 3 и отводящая труба 4, сообщающиеся с полостью коллектора через отверстия в их стенках. Эта полость замкнута с тыльной стороны коллектора гибкой панелью абсорбера 5, а сверху и снизу - эластичными вставками 6. Трубы 3 и 4 соединены с системой обогрева соответственно через клапаны 7 и 8, являющиеся по своей конструкции обратными клапанами. Клапан 8 отводящего канала имеет нелинейную характеристику с максимальным усилием при открывании, что достигается известными способами, например с помощью постоянного магнита.
Нагнетающим элементом коллектора является гибкая панель абсорбера 5, форма которой зависит от температуры. Эта зависимость может быть реализована различными известными способами: изготовлением самой панели из термобиметаллического листа либо из листового металла с большим коэффициентом температурного расширения (в последнем случае панель двумя противоположными кромками жестко упирается в контур рамы 1). При такой конструкции сами пластины являются теплочувствительными элементами. В другом варианте гибкий, с хорошей теплопроводностью абсорбер 5 примыкает к жесткой задней стенке, а между ними содержится тонкий слой жидкости с пониженной температурой испарения. Известны и другие способы, например с использованием ТЧЭ из материалов с эффектом запоминания формы.
Освещаемая сторона абсорбера 5 имеет светопоглощающее покрытие. Тыльная сторона коллектора теплоизолирована. Все стыки оснащены уплотнением 9.
И наконец, при газообразном теплоносителе его «энергонезависимая» циркуляция может быть обеспечена даже при жесткой конструкции коллектора в виде, например, плоского металлического ящика с внутренними продуваемыми каналами (либо в виде трубы, свернутой в плоскую плотную спираль), с теплопоглощающим наружным покрытием и прозрачным теплоизолирующим ограждением, при наличии тех же клапанов 7 и 8.
Привод для самоустановки коллектора на источник излучения имеет, например, такое устройство. На опорной конструкции СК консольно закреплена пластина 10, плоскость которой совпадает с плоскостью меридиана. Эта пластина состоит из двух внешних зачерненных полос с большим коэффициентом температурного расширения, разделенных гибкой теплоизолирующей проставкой. Свободный конец пластины 10 кинематически связан с поворотным каркасом коллектора (см. фиг.1). Для защиты от теплопотерь и непогоды данная пластина заключена в прозрачный пенал (на чертеже не показан), не препятствующий ее изгибу при нагревании. В целях упрощения поворотной конструкции СК его отводящую трубу 4 можно соединить с внешним контуром гибкой вставкой (шлангом), а в поворотном узле оставить только приточный канал.
Солнечный коллектор-нагнетатель работает так. Нагреваемый лучами абсорбер 5 под действием возникающих при этом напряжений изгибается в сторону прозрачного ограждения и создает избыточное давление в полости коллектора, т.к. оба клапана 7 и 8 закрыты, а уплотнения 9 обеспечивают необходимую герметизацию. По достижении в этой полости предельного расчетного давления клапан 8 резко открывается из-за круто спадающей силы противодействия его возвратного устройства, при этом основная часть нагретого теплоносителя продавливается через отводящую трубу 4. Когда же избыточное давление в полости исчезнет, сбрасываемый поток благодаря своей инерции успеет ее "промыть" холодным теплоносителем из приточной трубы 3 через открывшийся клапан 7, а абсорбер 5 от быстрого охлаждения возвратится в исходное положение. С прекращением потока теплоносителя оба клапана закроются.
Форма деформирующейся панели абсорбера 5 при исполнении с "шарнирной" подвижностью (т.е. без защемления) в местах крепления к раме 1 зависит от варианта конструкции: в случае использования биметалла - близка к сегменту цилиндра. При ограниченном рамой 1 пространстве профиль прогибающейся от нагрева панели из однослойного металла имеет вид "эластики Эйлера":
<mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>sin</mi><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>x</mi></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
.
где А - постоянная, х - осевая координата (вдоль длины пластины L),
(Николаи Е.Л. Труды по механике. М.: Гос. изд-во тех-теор. литературы, 1955. С.584) В случае воздействия на панель давления испаряющейся жидкости, заключенной между задней стенкой СК и панелью, профиль последней описывается известной из сопромата формулой для опертой по концам балки с прогибом от равномерно распределенной нагрузки.
<mrow><mi>v</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>a</mi><mrow><mn>24</mn><mi>E</mi><msub><mi>J</mi><mi>x</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>L</mi><msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>L</mi><mn>3</mn></msup><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
При всех приведенных вариантах деформации абсорбер 5 при своем максимальном расчетном прогибе (см. штрихпунктирную линию на фиг.2) способен обеспечить выброс из полости коллектора основного объема нагретого теплоносителя. Продолжительность рабочего цикла в любом случае зависит от исходной температуры теплоносителя и интенсивности его нагрева в коллекторе.
Устройство самонаведения коллектора на источник излучения, предусмотренный для повышения этой интенсивности, действует следующим образом. В полдень, когда обе внешние поверхности консольно закрепленной пластины 10 имеют одинаковую температуру, СК своей передней стенкой обращен к югу (в северном полушарии), т.е. в направлении, практически совпадающем с плоскостью пластины 10. При неодинаковом нагреве ее внешних поверхностей, когда источник излучения не находится в ее плоскости, она изгибается в сторону более холодной поверхности и поворачивает коллектор в сторону источника излучения. Величина прогиба пластины 10 определяется перепадом температур ее сторон, а последний зависит от положения солнца: чем больше оно отклонено к востоку или западу, тем меньше наклон его лучей к освещаемой поверхности пластины 10 и тем выше температура этой поверхности. Следовательно, коллектор своей передней стороной всегда будет повернут к солнцу.
Описанная конструкция оптимизирует работу коллектора в течение светового дня.
Таким образом, заявляемый солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель обеспечивает эффективное преобразование солнечной энергии практически в любых условиях ее использования без применения известных электроприводных нагнетателей теплоносителя и следящих систем.