ТЕПЛОПРИЕМНАЯ ПАНЕЛЬ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА
HEAT RECEIVING PANEL OF SOLAR COLLECTOR

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в тепловую с использованием последней для коммунальных и бытовых нужд населения. Может использоваться как основной или дополнительный нагреватель в системе горячего водоснабжения. Для нагрева жидкости используется энергия прямого солнечного излучения, поглощенная теплоприемной панелью.
Солнечные коллекторы разного типа позволяют получить тепловую энергию, которая в первую очередь используется для приготовления горячей воды. Кроме этого в отдельных случаях при построении комбинированных котельных установок тепло от солнечных коллекторов частично можно использовать в различных системах отопления, например при работе котельной установки в переходные периоды года, в районах с высокой солнечной активностью. Такой подход позволяет существенно повысить эффективность котельной установки в целом.
Известна конструкция плоского солнечного коллектора, которая состоит из корпуса, элемента, поглощающего солнечное излучение, системы циркуляции теплоносителя, прозрачного покрытия и теплоизолирующего слоя.
Поглощающий элемент называется теплоприемной панелью, он представляет собой лист металла с хорошей теплопроводностью, покрытый селективным поглощающим покрытием. Чем больше падающей энергии передается теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить ее можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.
Теплоприемная панель связана с теплопроводящей системой, выполненной в виде трубчатого змеевика, прикрепленного пайкой, сваркой к абсорберу. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение теплоприемной панели из листовой меди из-за ее высокой теплопроводности.
Недостатком данной конструкции является то, что в связи с применением трубчатого змеевика площадь контакта теплоносителя с теплопоглощающей панелью незначительна и локализована вдоль змеевика. Между трубок змеевика тепловая энергия должна собираться и транспортироваться к змеевику теплоприемной панелью. Для уменьшения тепловых потерь и увеличения эффективности солнечного коллектора требуется снизить перегрев теплопоглощающей панели между трубками змеевика. Данная особенность вызывает необходимость изготовления теплопоглощающей панели значительной толщины из материалов с высокой теплопроводностью, таких как медь или алюминиевые сплавы. Это приводит к увеличению веса и стоимости абсорбера.
Также существенным недостатком данной конструкции, снижающим ее надежность, является ее жесткость. При отрицательных температурах возможно замерзание теплоносителя (воды) в трубах, что приводит к их разгерметизации.
Известна (патент RU 2272969, МПК F24J 2/26, 2006) конструкция солнечного коллектора с теплоприемной панелью, стойкой к периодическим снижениям температуры наружного воздуха до отрицательных температур и замерзанию теплоносителя. Теплоприемная панель солнечного коллектора состоит из двух гофрированных листов, образующих совместно проточные каналы, которые имеют компенсационные участки, расположенные в местах сопряжения гофрированных участков с плоскими, при этом гофрированные листы соединены посередине плоских участков. Изобретение должно обеспечить компенсацию расширений в пределах упругости материала при замерзании теплоносителя и выдерживание избыточных напряжений, что повышает стойкость солнечного коллектора к разрушению.
Недостатком данной конструкции является то, что в плоских участках затруднено движение теплоносителя, что приводит к локальному перегреву этих участков, если применен материал гофры недостаточной теплопроводности или толщины. Данная конструкция теплоприемной панели из тонкостенного материала предопределяет эксплуатацию при пониженных давлениях теплоносителя, поскольку повышение давления теплоносителя приведет к преждевременной деформации плоских компенсационных участков теплоприемной панели, что в свою очередь снизит надежность конструкции при замерзании теплоносителя. Повысить рабочее давление теплоносителя возможно, уменьшая размер каналов в поперечном направлении, что соответственно увеличивает их количество в теплоприемной панели и увеличивает количество сварных работ, что приводит к существенному удорожанию конструкции. Присоединение теплоприемной панели к коллекторным трубам возможно двумя способами: коллекторные трубы выполнены отдельно и присоединяются клеевым соединением, сваркой или пайкой; коллекторные трубы выполнены за одно с теплоприемной панелью методом штамповки. Первый способ позволяет использовать сравнительно дешевые профилированные листы, полученные методом проката, однако присоединение к коллекторным трубам происходит по сложной криволинейной траектории, что значительно удорожает конструкцию. Во втором способе используются более дорогие профилированные листы с отштампованными коллекторными трубами, однако трудоемкость изготовления и качество швов допускается ниже. Недостатком второго способа также является то, что соединение между профилированными листами в зоне коллекторных труб со стороны теплоприемной панели фактически локализовано в точках-окончаниях швов жесткого соединения гофров теплоприемной панели. Увеличение давления теплоносителя, колебания давления теплоносителя приводят к разрушению теплоприемной панели в местах окончаниях швов жесткого соединения, поскольку они являются концентраторами напряжений.
Известна (патент RU 2325599, МПК F24J 2/24, 2008) конструкция теплоприемной панели солнечного коллектора, которая содержит, по меньшей мере, два аналогичных соединенных между собой листовых фрагмента, которые выполнены с профилированной поверхностью, имеющей гофры, входной и выходной коллекторы, и соединены с возможностью сопряжения и герметичного жесткого соединения между собой по внешнему периметру и внутри него. Гофры профилированной поверхности имеют форму сопряженных между собой полуцилиндров, поверхность сопряжения которых имеет плоские и галтельные участки и места жесткого соединения внутри периметра. Расстояние между местами жесткого соединения, по меньшей мере, равно характерному размеру места жесткого соединения, но не больше его удесятеренной величины. Характерный размер плоского участка между каждым местом жесткого соединения и галтельным участком равен, по меньшей мере, одной четвертой части характерного размера места жесткого соединения, но не больше последнего указанного размера. Радиус галтельного участка, по меньшей мере, равен одной четверти характерного размера места жесткого соединения, но не больше радиуса гофра. Величина радиуса галтельных участков сопряжения гофров и коллекторов, по меньшей мере, равна наименьшему радиусу галтельного участка.
Недостатки данной конструкции аналогичны рассмотренным выше. Попыткой повышения надежности соединения профилированных листов в местах окончания швов теплоприемной панели является увеличение размера жесткого соединения перед коллекторными трубами, по меньшей мере, в полтора раза в сравнении с остальными участками жесткого соединения между гофрами. Если размер окончания шва жесткого соединения велик, то эта мера приведет к локальному перегреву данного участка, поскольку движение теплоносителя в данном участке отсутствует. Если размер окончания шва жесткого соединения мал, то снизятся его механические свойства и, следовательно, допустимое рабочее давление теплоносителя.
Технический результат заключается в снижении стоимости, энерго- и материалоемкости конструкции, повышении надежности и технологичности изготовления теплоприемной панели солнечного коллектора.
Данный технический результат достигается тем, что в теплоприемной панели солнечного коллектора, содержащей, по меньшей мере, два аналогичных листовых фрагмента, выполненных с профилированной поверхностью, имеющей гофры, и соединенных между собой с возможностью сопряжения и герметичного жесткого соединения между собой по внешнему периметру и внутри него, на внешнюю сторону одного из которых нанесено селективное поглощающее покрытие, входной и выходной коллектор со штуцерами, согласно изобретению профилированная поверхность образована в результате пластической деформации под действием внутреннего давления изначально плоских листовых фрагментов, предварительно герметично соединенных между собой, на концах жестких соединений между гофрами образованы широкие треугольные, круглые или каплеобразные законцовки, между ними и коллекторами расположены прерывистые швы жесткого соединения, причем расстояние между законцовками и прерывистым швом составляет не менее пяти сотых и не более одного расстояния между соседними гофрами.
Расстояние между законцовками и перпендикулярным прерывистым швом составляет не менее 0,05 (пяти сотых) и не более 1 (одного) расстояния между соседними гофрами. Размер пропусков прерывистого шва не менее 0,05 (пяти сотых) и не более 1 (одного) расстояния между соседними гофрами.
На фиг.1 изображен общий вид теплоприемной панели; на фиг.2 ее вид сверху.
Панель состоит из двух плоских листов металла или пластика 1, жестких соединений 2 по периметру и внутри периметра между гофрами 3 (каналов для теплоносителя), подводящих и отводящих штуцеров 4, законцовок 5, выполненных треугольными, круглыми или каплеобразными, прерывистых швов 6, расположенных между законцовками и коллектором 7.
Теплоприемная панель изготавливается путем жесткого шовного соединения двух изначально плоских листов 1 металла или теплостойкого пластика, жесткие соединения 2 их между собой осуществляются пайкой, склеиванием или контактной сваркой по периметру и внутри листов, присоединением сваркой или клеем подводящего(их) и отводящего(их) штуцеров 4. Жесткие соединения внутри листов заканчиваются треугольными, круглыми или каплеобразными законцовками 5, оптимизирующими поле напряжений и сужающими проходное сечение каналов теплоносителя в несколько раз относительно их ширины в средней части. Введены дополнительные швы жесткого соединения 6, расположенные между коллекторными трубами 7 и законцовками 5. Данные швы выполнены прерывистыми, предназначены для разгруки законцовок.
После жесткого соединения листов в подводящий и отводящий штуцеры подается избыточное давление газа или жидкости, что приводит к пластическому деформированию листов с образованием каналов теплоносителя (гофр) 3. Давление и расстояние между швами жесткого закрепления выбирается такое, при котором развиваемая нагрузка на используемый листовой материал в самой высоконагруженной зоне теплоприемной панели не превышает 0,5-0,7 предела прочности данного материала и находится в зоне пластической деформации. Одновременно поверхность теплоприемной панели становится выпукло-вогнутой, что увеличивает удельную площадь поглощения. После снятия приложенного внутреннего давления гофры теплоприемной панели упруго сжимаются и приобретают чечевицеобразную форму, обусловленную пластической деформацией листов материала.
Для увеличения надежности работы конструкции при повышенных давлениях теплоносителя, между коллекторами 7 и законцовками 5, перпендикулярно гофрам расположен прерывистый шов 6 жесткого соединения, воспринимающий нагрузку и сужающий проходное сечение каналов теплоносителя.
Особенностью солнечных коллекторов является, как правило, малая скорость движения теплоносителя. В связи с этим сужение входного и выходного отверстия каналов для теплоносителя до 10 раз от сечения канала является допустимым.
Поскольку каналы для теплоносителя расположены под всей поверхностью теплоприемной панели и тепло передается теплоносителю по кратчайшему пути - через стенку теплоприемной панели, значительно снижены требования к теплопроводности материала теплоприемной панели, а значит и к ее толщине. Применение полимерных материалов (пластмасс), отличающихся низкой теплопроводностью, вполне оправдано.
Толщина листов материала выбирается минимально возможной, чтобы обеспечить механическую прочность при рабочем давлении теплоносителя с учетом запаса прочности на пластическую деформацию листов теплоприемной панели.
Данная конструкция является устойчивой к замерзанию теплоносителя, поскольку при образовании льда (увеличении внутреннего давления) каналы для теплоносителя, вследствие упругости материала, становятся более округлыми - увеличиваются в объеме и не разрушаются.