ПЛОСКИЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Полезная модель относится к солнечной энергетике (гелиотехнике), используемой для сбора и преобразования солнечных лучей и солнечной энергии в тепловую энергию в солнечных коллекторах и ее дальнейшей передаче для систем отопления, горячего водоснабжения или технологического подогрева воды.
В настоящее время широкое применение получили два типа солнечных коллекторов: плоские и вакуумные (тепловые трубки).
Плоский коллектор представляет собой теплообменник, помещенный в теплоизолированный корпус, одна из сторон которого сделана прозрачной. Поверхность теплообменника, обращенная к свето-пропускному материалу, покрывается поглощающим солнечное излучение покрытием, черной краской либо специальным селективным покрытием (обычно черный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закаленного стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифленого поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурат). Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются из сшитого полиэтилена либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметиком. [найдено 20.10.2018] Найдено из Интернет: <URL:https://www.atmosfera.ua/geliosistemy/tipy-solnechnyx-kollektorov/>
Недостатками плоских солнечных коллекторов является недостаточная теплоизоляция корпуса, в связи с чем увеличиваются теплопотери особенно при работе коллекторов при низких температурах.
Вакуумный коллектор (тепловая трубка) имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой создается вакуум. Именно вакуумная прослойка дает возможность сохранить около 95% улавливаемой тепловой энергии. В вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности, [найдено 20.10.2018] Найдено из Интернет:<URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Coлнeчный_кoллeктop>
Недостатком вакуумных коллекторов является низкий (по сравнению с плоскими) КПД.
Известна конструкция элемента солнечного теплового поглотителя, являющегося частью солнечного коллектора, с герметичным вакуумированным, либо заполненным инертным газом, пространством между поглотителем и стеклом. Элемент солнечного теплового поглотителя включает в себя покрывающее стекло и высокоселективный поглотитель с абсорбирующим покрытием, содержащий трубки для транспортировки теплоносителя. Элемент дополнительно включает в себя термопластичное уплотнение, выполненное с возможностью прикрепления покровного стекла и поглотителя друг к другу, так что между покрывающим стеклом и поглотителем имеется герметичное пространство, заполненное газом с низкой теплопроводностью (US 20150233606, F24J 2/05, F25B 27/00, опубл. 20.08.2015).
Недостатком аналога является общая сложность при производстве, когда сам пакет из теплообменника, стекла и уплотнителя изготавливается и вакуумируется (либо наполняется газом с низкой теплопроводностью), затем помещается в теплоизолированный корпус. Изготовление, герметизация и термоизоляция корпуса, как и окончательная сборка коллектора, являются достаточно трудоемкими и длительными процессами, требующими дополнительных производственных и складских площадей, в том числе и для складирования пакетов и корпусов перед окончательной сборкой.
Заявляемая полезная модель направлена на устранение вышеперечисленных недостатков, а именно: создание относительно недорогого в производстве и эксплуатации плоского солнечного коллектора, обладающего повышенной теплоизоляцией и пониженными теплопотерями.
Технический результат достигается тем, что плоский солнечный коллектор, состоящий из покрывающего стекла, высокоселективного поглотителя с абсорбирующим покрытием, содержащего трубки для транспортировки теплоносителя, термопластичного уплотнения, выполненного с возможностью прикрепления покрывающего стекла и поглотителя друг к другу, так что между покрывающим стеклом и поглотителем имеется герметичное пространство, заполненное газом с низкой теплопроводностью, согласно полезной модели дополнительно содержит корпус из полиуретана.
В герметичном пространстве, заполненном газом с низкой теплопроводностью плоского солнечного коллектора может быть создано пониженное давление (вакуум).
Корпус плоского солнечного коллектора снаружи может быть покрыт защитным слоем.
Термопластичное уплотнение плоского солнечного коллектора может являться частью корпуса.
Устройство заявляемого плоского солнечного коллектора представлено на рисунках:
Фиг. 1 - плоский солнечный коллектор с термопластичным уплотнением, разрез, где
1 - покрывающее стекло,
2 - высокоселективный поглотитель с абсорбирующим покрытием,
3 - трубки для транспортировки теплоносителя,
4 - термопластичное уплотнение,
5 – корпус.
Фиг. 2 - плоский солнечный коллектор с термопластичным уплотнением, сборочный чертеж, где
1 - покрывающее стекло,
2 - высокоселективный поглотитель с абсорбирующим покрытием,
3 - трубки для транспортировки теплоносителя 5 – корпус.
Поставленная задача решается тем, что корпус солнечного коллектора изготавливается литьем полиуретана в жесткую форму. Жидкие компоненты пенополиуретана заливаются в жесткую, чаще металлическую или другую форму (возможно комбинированную из металла и фторопласта или иного материала), выдерживающего давление расширяющегося пенополиуретана. Форма для заливки выполняется в виде сложной фигуры. После заливки жидких компонентов и по прохождению определенного времени, обычно 30-50 мин, происходит расширение и затвердевание полимера. Форма открывается и из нее извлекается твердый полимерный корпус. При плотности 45-70 кг/м3 и толщине более 35 мм, затвердевший полимер обладает достаточной твердостью и теплопроводностью, позволяющей сохранять тепло. Таким образом, в результате одного технологического процесса получают прочную деталь, имеющую высокие теплотехнические показатели. Далее, заполненный газом с низкой теплопроводностью, а в частном случае выполнения - вакуумированный элемент солнечного теплового поглотителя, состоящий из покрывающего стекла (1) из сверхпрозрачного материала (стекла), высокоселективного поглотителя с абсорбирующим покрытием (2) - пластины с трубками для транспортировки теплоносителя (3), на верхнюю часть которой нанесено теплопоглощающее селективное покрытие (абсорбер) и термопластичного уплотнения (4) - рамки, повторяющей контур стекла и пластины и расположенной между ними, причем рамка не только фиксирует расстояние между пластиной и стеклом, но и герметично закрывает пространство между ними, устанавливают в готовый корпус (5). Элемент солнечного теплового поглотителя фиксируют в нише полимерного корпуса любым известным подходящим способом: с помощью механического крепежа, клея, герметика и т.д.
Полимерный полиуретановый корпус подвержен деградации под воздействием ультрафиолетового излучения, поэтому поверхность покрывают защитным слоем, причем в предпочтительном варианте изготовления защитный слой наносится на форму, а далее, после его затвердевания, в эту же форму с сформированным защитным слоем заливаются компоненты теплоизолирующего корпуса. Покрытие может быть из любого подходящего материала или полимера, например жидкой резины или полимера на основе Силора.
Использование такой защиты повышает долговечность и технологические показатели коллектора.
Предпочтительным вариантом является заливка полимера в форму, в которой размещен теплообменник, и последующее затвердевание корпуса с уже размещенным в нем теплообменником, что дополнительно упрощает производственный процесс.
Наиболее предпочтительным вариантом является размещение в форме покрывающего стекла и пластины теплообменника и заливка полиуретана, причем полиуретан создает прослойку (6) по периметру между стеклом и панелью, заменяя, таким образом, термопластичное уплотнение. В таком корпусе целесообразно оставлять каналы для последующего заполнения газом, а в частном случае - вакуумирования герметичного пространства между стеклом и пластиной.
Практические тесты показали, что корпус выполненный литьем пенополиуретана, обладает достаточной жесткостью и имеет высокие теплотехнические параметры. Тесты так же показали, что заявляемый корпус способствует более быстрому нагреву теплоносителя. Температура нагрева теплоносителя к концу времени теста (12 часов 30 минут с момента выхода солнца и начала нагрева) была выше, чем у обычного плоского коллектора на 10% и на 14% выше, чем у трубчатого коллектора. На утро следующего дня, на время начала нового теста, температура в коллекторе с пенополиуретановым корпусом имела меньшие показатели потери температуры за ночь (время, когда солнце не грело теплообменник, составляющее 11 часов 30 минут) на 12% по сравнению с обычным плоским коллектором и 7% по сравнению с трубчатым вакуумным коллектором.
Техническим результатом является создание относительно недорогого в производстве и эксплуатации плоского солнечного коллектора, обладающего повышенной теплоизоляцией и пониженными теплопотерями.