Плоский вакуумный солнечный коллектор

Полезная модель относится к теплотехнике и гелиотехнике, а именно к вакуумным плоским солнечным коллекторам, и может быть использована в устройствах для преобразования солнечной энергии в тепловую энергию теплоносителя в системах горячего водоснабжения и отопления.
Известны плоские, вакуумные трубчатые и вакуумные плоские солнечные коллекторы. Последние имеют такую же апертуру (максимальная площадь, на которую попадает солнечное излучение) и площадь абсорбера (площадь слоя, поглощающего солнечное излучение), как и у плоского коллектора, которая равняется площади передней поверхности его корпуса (длина х ширину). Кроме этого, вакуумные плоские солнечные коллекторы имеют высокую степень вакуумной изоляции, как и вакуумные трубчатые коллекторы. Таким образом, существующие вакуумные плоские солнечные коллекторы имеют наиболее высокие технические и потребительские характеристики по сравнению с плоскими и вакуумными трубчатыми, однако они являются самыми сложными в техническом исполнении и, соответственно, самыми дорогими.
Например, известен плоский вакуумный солнечный коллектор, содержащий корпус с поддерживающей металлической конструкцией, верхнюю плоскую стеклянную панель, пластинчатый поглотитель, покрытый пленкой черного цвета, термически связанную с ним трубу с теплоносителем, нижнюю часть. Солнечное излучение, проходя сквозь стеклянную панель, нагревает поглотитель, а тот трубу с теплоносителем, при этом вакуумирование коллектора способствует предотвращению переноса тепла газом и, соответственно, теплоизоляции (RU 2348869 С2, МПК (2006.01) F24J 2/00, 2/05, 2/42, 2/46, оп. 10.03.2009).
В известном солнечном коллекторе достигается высокая степень вакуума за счет надежного металло-стеклянного периметрического уплотнения.
Основным недостатком известного солнечного коллектора является наличие трубы для транспортировки теплоносителя, которая вследствие своей формы имеет наибольший объем при наименьшей площади поверхности, что отрицательно влияет на теплопередачу.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства, выбранным как прототип, является плоский вакуумный солнечный коллектор, содержащий герметичный корпус с прозрачным защитным покрытием, теплоприемную панель, которая состоит из внешнего плоского элемента и внутреннего рельефного элемента в виде металлических гофр, образующих замкнутые каналы, которые сочетаются на входе и выходе с распределительным и сборным каналами. На внешнюю поверхность панели нанесено селективное покрытие, в пространстве между прозрачным защитным покрытием и теплоприемной панелью создан вакуум. В замкнутых каналах теплоприемной панели циркулирует теплоноситель, представляющий собой люминофор, который позволяет путем смещения спектра падающего излучения превращать его в инфракрасное, которое поглощается внутренним металлическим элементом и вызывает его разогрев, после чего внутренний элемент за счет теплопроводности разогревает теплоноситель. Коллектор защищен теплоизоляционным слоем по периметру и задней панели (RU 2350852 С2, МПК (2006.01) F24J 2/24, оп. 27.03.2009).
В известном солнечном коллекторе увеличена площадь поверхности, контактирующей с теплоносителем, вследствие образования множества каналов для теплоносителя.
Недостатками известного солнечного коллектора, которые снижают его надежность, эффективность использования солнечной энергии, усложняют его конструкцию, являются:
наличие каналов для теплоносителя, что обусловливает наличие мест без каналов, что приводит к перегреву этих мест, чрезмерного инфракрасного излучения в окружающую среду, дополнительных потерь при передаче тепла теплоносителю;
выполнение абсорбера (поглотителя) в виде теплоприемной панели с внутренним металлическим элементом, что приводит к участию в передаче тепла теплоносителю дополнительного элемента;
риск разрушения прозрачного элемента, вследствие воздействия внешнего давления при вакуумировании.
В основу полезной модели поставлена задача создания нового плоского вакуумного солнечного коллектора, в котором новые элементы, новое их выполнение и использование новых материалов позволяют улучшить теплоизоляционные свойства, что уменьшает потери и повышает коэффициент полезного действия, снизить общую температуру поверхностей, что приводит к уменьшению теплопотерь из-за чрезмерного инфракрасного излучения, упростить конструкцию и уменьшить ее металлоемкость, удешевить процесс изготовления, повысить эффективность использования солнечной энергии, а также надежность и безопасность работы коллектора.
Поставленная задача решается тем, что в плоском вакуумном солнечном коллекторе, содержащем герметичный корпус, внешнюю прозрачную панель, заднюю панель, абсорбер, теплоноситель, и в котором между панелями создан вакуум, согласно полезной модели новым является то, что между внешней прозрачной панелью и задней панелью установлена внутренняя прозрачная панель, как абсорбер использован окрашенный в темный цвет теплоноситель, который находится между внутренней прозрачной панелью и задней панелью, вакуум создан в пространстве между внешней и внутренней прозрачными панелями, где содержится разреженный до 0,2-0,5 атм парниковый газ, и между этими панелями установлены упоры, при этом в коллекторе установлены с возможностью перемещения через них теплоносителя при его нагревании впускной и выпускной патрубки.
Новым также является то, что между внешней и внутренней панелями вмонтирована система контроля разрежения.
Новым также является то, что количество упоров определено в зависимости от величины разрежения.
Новым также является то, что упоры изготовлены из прозрачного материала, коэффициент теплопроводности которого не более 0,5 Вт/(м·К), например из органического стекла.
Новым также является то, что корпус имеет теплоизоляционный слой, выполненный на задней панели и по периметру корпуса.
Между совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели и достигаемым техническим результатом, существует следующая причинно-следственная связь.
Установка между внешней прозрачной панелью и задней панелью внутренней прозрачной панели и использование в качестве абсорбера окрашенного в темный цвет теплоносителя, находящегося между внутренней прозрачной панелью и задней панелью, то есть совмещение теплоприемника и теплоносителя, обеспечивает возможность исключения использования металлических элементов в качестве посредника в передаче тепла к теплоносителю, что позволяет устранить потери тепла, которые происходят вследствие чрезмерного инфракрасного излучения разогретого металлического элемента, снижения общей температуры поверхностей. В заявленном солнечном коллекторе солнечное излучение проходит сквозь переднюю и среднюю прозрачные панели и поглощается непосредственно теплоносителем - темной жидкостью, преимущественно водой, которая имеет высокие теплопоглощающие свойства, усиленные темным цветом. Вода нагревается, начинает излучать в инфракрасном диапазоне спектра, однако теплоизоляция корпуса и слой разреженного парникового газа достаточны для предотвращения выхода этого излучения наружу. В результате достигается улучшение теплоизоляционных свойств коллектора, уменьшение потерь тепла, повышение коэффициента полезного действия, упрощение и удешевление конструкции.
Создание вакуума в пространстве между внешней и внутренней прозрачными панелями, где содержится разреженный до 0,2-0,5 атм парниковый газ, то есть газ, который имеет высокую прозрачность в видимом диапазоне и высокое поглощение в дальнем инфракрасном диапазоне, не позволяет инфракрасному излучению от нагретого теплоносителя, температура которого значительно выше температуры окружающей среды, выходить наружу, парниковый газ служит как бы защитным экраном, препятствующим такому перемещению и экранирующим обратно тепло теплоносителя. Кроме этого, пониженное давление, созданное в пространстве между внешней и внутренней прозрачными панелями, препятствует возникновению значительных конвекционных потоков от нагретого теплоносителя, которые также служат переносчиками тепла. Это также приводит к улучшению теплоизоляционных свойств коллектора, повышению коэффициента полезного действия, уменьшению потерь тепла.
Установка между внешней и внутренней прозрачными панелями упоров предотвращает разрушение указанных панелей внешним давлением при создании между ними необходимой степени разрежения, что также способствует повышению теплоизоляционных свойств коллектора, коэффициента полезного действия, уменьшению потерь тепла, повышению эффективности, надежности и безопасности работы коллектора.
Установка в коллекторе с возможностью перемещения через них теплоносителя при его нагревании впускного и выпускного патрубков обеспечивает естественную циркуляцию теплоносителя между внутренней и задней панелями, что приводит к повышению эффективности работы коллектора.
Технический результат заключается в обеспечении экономичности, повышении эффективности, улучшении теплоизоляционных свойств коллектора, уменьшении потерь тепла, повышении коэффициента полезного действия, упрощении конструкции и уменьшении ее металлоемкости, удешевлении процесса изготовления, повышении эффективности использования солнечной энергии, надежности и безопасности работы плоского вакуумного солнечного коллектора. Кроме того, вмонтирование в полость между внешней и внутренней панелями системы контроля разрежения с внешними средствами управления позволяет постоянно отслеживать и держать на требуемой величине уровень разрежения внутри коллектора в процессе его эксплуатации, что способствует сохранению максимально долго начальных характеристик коллектора, что также приводит к повышению надежности и безопасности.
Определение количества упоров в зависимости от величины разрежения позволяет точно рассчитывать количество упоров, необходимое и достаточное для компенсации внешнего давления на прозрачные панели, что предотвращает их разрушение и повышает безопасность и надежность коллектора.
Изготовление упоров из прозрачного материала, коэффициент теплопроводности которого не более 0,5 Вт/(м·К), например, из органического стекла, позволяет солнечному излучению проходить сквозь упоры без значительного поглощения ими тепла, что также способствует повышению эффективности использования солнечной энергии.
Наличие теплоизоляционного слоя, выполненного на или в корпусе, на задней панели и по периметру корпуса, предотвращает выход тепла наружу, что способствует повышению теплоизоляционных свойств коллектора.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено фронтальное сечение плоского вакуумного солнечного коллектора; на фиг. 2 - общий вид сверху коллектора; на фиг. 3 - общий вид снизу коллектора.
Плоский вакуумный солнечный коллектор (фиг. 1-3) в одном из возможных исполнений заявляемой полезной модели, которое, однако, не является единственно возможным, содержит герметичный корпус прямоугольной формы с двумя плоскими прозрачными, например стеклянными, панелями - внешней панелью 1, внутренней панелью 2, а также с третьей задней плоской панелью 3, которая может быть изготовлена из пластика. Расстояние между панелями рассчитывается в зависимости от географической широты, на которой установлен коллектор. Пространство между внешней панелью 1 и внутренней панелью 2 заполнено разреженным до 0,2-0,5 атм парниковым газом. Между этими панелями установлены дистанционные упоры 4 из прозрачного материала, коэффициент теплопроводности которого не более 0,5 Вт/(м·К), например из органического стекла с коэффициентом теплопроводности 0,18 Вт/(м·К). Количество упоров 4 определяется в зависимости от величины разрежения (фиг.1).
В полость между внешней панелью 1 и внутренней панелью 2 может быть вмонтирована трубка 5 контроля разрежения (фиг. 2).
Между внутренней панелью 2 и задней панелью 3 находится теплоноситель 6, окрашенный в темный цвет, например в темно-коричневый. Это может быть окрашенная вода, антифриз или другая жидкость. При этом теплоноситель 6 выполняет также и функцию абсорбера. На задней стенке 3 установлены с возможностью перемещения через них теплоносителя при его нагревании впускной патрубок 7 и выпускной патрубок 8 (фиг. 3). Для обеспечения естественной циркуляции теплоносителя патрубки 7, 8 установлены таким образом, что при расположении коллектора под углом к горизонту в процессе эксплуатации выпускной патрубок 8 размещен выше впускного патрубка 7, причем с противоположной стороны. Возможно выполнение патрубков 7, 8 по бокам корпуса. Возможна также и принудительная циркуляция теплоносителя. Возможно использование заявляемого коллектора в комплексе с тепловым насосом для увеличения КПД солнечного коллектора, улучшения эксплуатационных характеристик. Тепловой насос, снижая температуру теплоносителя, повышает температуру в теплообменнике, что позволяет, хотя и с меньшей эффективностью, эксплуатировать солнечный коллектор в неблагоприятных условиях. Расстояние между внутренней панелью 2 и задней панелью 3 зависит от конкретных технических задач и в одном из возможных исполнений составляет 7-10 мм.
По периметру и задней стенке 3 корпус защищен теплоизоляционным слоем 9, например полистиролом, который может иметь антибликовое покрытие. Коллектор обеспечен рамой, предназначенной для установки коллектора в блоки и монтажа на месте эксплуатации (фиг. 2).
Плоский вакуумный солнечный коллектор работает следующим образом.
Коллектор размещают в местах, подходящих для абсорбции солнечного излучения, под углом, оптимальным для данной широты. Коллектор подключают к системе циркуляции теплоносителя. Коллектор может быть выполнен с возможностью регуляции подачи теплоносителя. Холодный теплоноситель 6 попадает в пространство между внутренней панелью 2 и задней панелью 3 через впускной патрубок 7. Солнечное излучение проходит сквозь внешнюю прозрачную панель 1 и внутреннюю прозрачную панель 2 и нагревает окрашенный теплоноситель-абсорбер 6. Нагретый теплоноситель 6 излучает в инфракрасном диапазоне, однако при этом разреженный парниковый газ экранирует тепло обратно в теплоноситель, а низкое давление препятствует образованию значительных конвекционных тепловых потоков. Нагретый теплоноситель поднимается вверх и без потерь тепла через выпускной патрубок 8 направляется для дальнейшего использования для нагрева воды в системы горячего водоснабжения, или отопления, или для иного использования, а его место занимает холодный теплоноситель, обеспечивая непрерывный процесс естественной циркуляции.
Таким образом, заявленная полезная модель позволяет при упрощении конструкции коллектора добиться повышения его теплоизоляционных свойств, уменьшения потерь тепла, что приводит к повышению КПД, эффективности, надежности и безопасности работы коллектора.