СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Предлагаемая полезная модель солнечного коллектора относится к устройствам, преобразующим энергию солнечного излучения в низкопотенциальное тепло, в частности в солнечных водонагревательных установках.
Известен трубчатый вакуумированный солнечный коллектор, содержащий корпус, в котором установлены рядом друг с другом стеклянные вакуумированные трубы и теплоизолированный от окружающей среды теплообменник-конденсатор, внутри каждой вакуумированной трубы расположена тепловоспринимающая панель, поглощающая проходящее через стеклянную трубу солнечное излучение, с внутренней герметичной полостью, частично заполненной низкокипящим теплоносителем, в верхней части которой находится секция теплообменника-конденсатора (Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. - New York. John Wiley & Sons. 2006. PP. 278-279, fig. 6.13.1f). При нагреве тепловоспринимающей панели солнечным излучением находящийся внутри герметичной полости в нижней ее части теплоноситель частично испаряется, пары теплоносителя поднимаются вверх и конденсируются на более холодной внешней поверхности секции теплообменника-конденсатора, чем обеспечивается передача солнечного тепла к другому теплоносителю - воде, антифризу, протекающему внутри теплообменника-конденсатора.
Основным недостатком такого солнечного коллектора является низкий интегральный коэффициент преобразования энергии солнечного излучения, приходящего на поверхность солнечного коллектора, в полезное тепло, обусловленный относительно малым отношением суммарной апертуры тепловоспринимающих панелей к интегральной рабочей площади солнечного коллектора, а также недостаточно эффективной теплопередачей от нагретой панели к рабочему телу, лишь частично заполняющему полость панели. Другим недостатком солнечного коллектора является невысокий срок службы, связанный с разгерметизацией со временем, как вакуумированных стеклянных труб, так и внутренней полости тепловоспринимающей панели, в которой низкокипящий теплоноситель, как правило, находится под давлением ниже атмосферного.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является плоский солнечный коллектор, содержащий корпус с теплоизоляцией, светопрозрачное ограждение, под которым с зазором в корпусе расположена тепловоспринимающая панель, с внутренней полостью, заполненной теплоносителем, прокачиваемым через тепловоспринимающую панель. (Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. - New York. John Wiley & Sons. 2006. P. 239, fig. 6.1.1 - прототип).
В этом солнечном коллекторе теплоноситель, заполняющий внутреннюю полость тепловоспринимающей панели - это, как правило, вода, прокачивается через нее и нагретым, за счет поглощения панелью солнечного излучения, прошедшего через светопрозрачное ограждение, и направляется в систему аккумулирования тепла или непосредственно к потребителю. В таком солнечном коллекторе сбор солнечного излучения осуществляется с апертуры, практически равной габаритной площади солнечного коллектора, что обеспечивает более высокий интегральный коэффициент преобразования энергии по сравнению с аналогом. Вместе с тем недостатками данного солнечного коллектора являются повышенные затраты энергии на прокачку теплоносителя в циркуляционном контуре и возможность разгерметизации всей гидравлической системы солнечной установки при возникновении течи в тепловоспринимающей панели, что ухудшает эксплуатационные характеристики данного солнечного коллектора.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу повышения эффективности работы солнечного коллектора.
Поставленная техническая задача решается тем, что в солнечном коллекторе, содержащем корпус с теплоизоляцией, светопрозрачное ограждение, под которым с зазором в корпусе расположена тепловоспринимающая панель с внутренней полостью, заполненной жидким теплоносителем, причем внутренняя полость тепловоспринимающей панели выполнена замкнутой, в ее верхней части горизонтально размещен трубчатый оребренный теплообменник, а в средней части с зазорами от верхней и нижней стенок панели размещена продольная перегородка, в верхней части соединенная с теплообменником, а в нижней части имеющая отверстие.
Предлагаемая конструкция солнечного коллектора позволяет повысить эффективность работы, в том числе снизить затраты энергии на прокачку теплоносителя в солнечной установке за счет использования в замкнутой полости тепловоспринимающей панели отдельного от всей системы теплоносителя, циркулирующего внутри полости за счет гравитационных сил, возникающих в результате разности температур нагретого солнечным излучением теплоносителя над внутренней перегородкой и охлажденного на трубчатом оребренном теплообменнике под перегородкой, и повысить эксплуатационную надежность солнечных водонагревательных установок: при разгерметизации внутренней полости панели исключается утечка теплоносителя из всей системы.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг.1.
Солнечный коллектор содержит корпус 1 с теплоизоляцией 2, светопрозрачное ограждение 3, под которым с зазором в корпусе расположена тепловоспринимающая панель 4 с внутренней полостью 5, заполненной жидким теплоносителем, причем внутренняя полость тепловоспринимающей панели 5 выполнена замкнутой, в ее верхней части горизонтально размещен трубчатый оребренный теплообменник 6, а в средней части с зазорами от верхней и нижней стенок панели 4 размещена продольная перегородка 7, в верхней части соединенная с теплообменником 6, а в нижней части имеющая отверстие 8.
Солнечный коллектор работает следующим образом.
Солнечное излучение, падающее на рабочую поверхность солнечного коллектора, имеющего корпус 1 с теплоизоляцией 2, проходит через светопрозрачное ограждение 3 и поглощается тепловоспринимающей панелью 4. Тепло через верхнюю стенку этой панели передается теплоносителю, заполняющему замкнутую полость тепловоспринимающей панели 5, нагревая его. В результате естественной циркуляции нагретый в зазоре между верхней стенкой теплопоглощающей панели 4 и перегородкой 7 теплоноситель поднимается вверх, омывает внешнюю оребренную поверхность трубчатого теплообменника 6, при этом охлаждаясь за счет отдачи тепла теплоносителю, прокачиваемому внутри теплообменника 6, и опускается вниз по зазору между нижней стенкой панели 4 и перегородкой 7, возвращаясь в верхний зазор через отверстие 8 в нижней части панели 7. Нагретый внутри теплообменника 6 теплоноситель направляется в систему аккумулирования тепла или непосредственно потребителю.
Величина зазоров между стенками панели 4 и внутренней перегородкой 7, диаметр трубы теплообменника 6 и параметры его оребрения оптимизируются, с целью обеспечения максимальной эффективности преобразования энергии солнечного излучения в тепло, отбираемого от солнечного коллектора теплоносителем, прокачиваемым через теплообменник 6.
Заявляемое техническое решение прошло проверку на основе математического моделирования работы солнечного коллектора при различных геометрических характеристиках и условиях освещенности.
Полученные результаты моделирования показали преимущества предлагаемой конструкции солнечного коллектора, позволяющей на 5…10% повысить эффективность его работы и улучшить эксплуатационные характеристики.