МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР
MULTIFUNCTIONAL SOLAR COLLECTOR

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано, в частности, в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева воздушного и жидкого теплоносителей, а также в электрическую энергию.
Известен солнечный коллектор, содержащий корпус из нескольких рам с четырьмя прямоугольными пластинами, обрамляющими коллектор, преимущественно прямоугольной формы, верхнее прозрачное ограждение и заднюю пластину, соединенные с рамами, абсорбер, расположенный в корпусе, выполненный с селективным покрытием, нанесенным на его переднюю сторону, обращенную к прозрачному ограждению, и снабженный продольными трубками для протекания жидкого теплоносителя, первый слой теплоизоляционного материала, размещенный между частями рам и абсорбером, и второй слой теплоизоляционного материала, размещенный между абсорбером и задней пластиной, причем теплоизоляционный материал образован из пенополистирола, а внутренний объем корпуса заполнен газом с низкой теплопроводностью, что усиливает принимающую способность коллектора (см. DE 20320220 U1, МПК F24J 2/46, 2004).
Однако известный солнечный коллектор позволяет осуществлять нагрев только жидкостного теплоносителя. Кроме того, процесс его изготовления достаточно сложен и трудоемок.
Известен также солнечный коллектор, содержащий монолитный корпус из теплоизоляционного материала, например из вспененных полимеров типа полиуретан, полистирол, с дном, на котором выполнены углубления, прозрачное ограждение, размещенное между боковыми выступами корпуса, и абсорбер, расположенный в корпусе и прикрепленный к его дну с образованием каналов для протекания жидкого теплоносителя (см. RU 2134846, МПК F24J 2/04, 1999).
Однако указанный солнечный коллектор позволяет осуществлять нагрев только жидкостного теплоносителя. Кроме того, его конструкция недостаточно надежна.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности конструкции солнечного коллектора, а также его функциональности.
Поставленная задача решается тем, что в многофункциональном солнечном коллекторе, содержащем монолитный корпус из теплоизоляционного материала, прозрачное ограждение и абсорбер, расположенный в корпусе, согласно изобретению корпус выполнен П-образным, в корпусе с обеих его торцевых сторон установлены торцевые П-образные профили, прозрачное ограждение размещено на боковых выступах корпуса и торцевых П-образных профилях, корпус и прозрачное ограждение с боковых сторон охвачены внешними П-образными профилями, а с торцевых сторон - торцевыми крышками, образующими с торцевыми П-образными профилями впускную и выпускную воздушные камеры, сообщенные с внутренним объемом корпуса и внешними воздуховодами.
Поставленная задача решается также тем, что коллектор может быть снабжен внутренними П-образными профилями, размещенными в корпусе, примыкающими к его боковым выступам и контактирующими верхними гранями с прозрачным ограждением.
Поставленная задача решается также тем, что в обоих торцевых П-образных профилях могут быть выполнены отверстия, сообщающие внутренний объем корпуса с воздушными камерами.
Поставленная задача решается также тем, что прозрачное ограждение может быть выполнено с продольными каналами, соединенными с впускной воздушной камерой, и снабжено заглушкой, закрывающей продольные каналы со стороны выпускной воздушной камеры, причем внутренняя стенка прозрачного ограждения может быть выполнена с отверстиями, примыкающими к торцевому П-образному профилю, образующему выпускную камеру, и сообщающими продольные каналы с внутренним объемом, абсорбер может быть выполнен с перепускными отверстиями, примыкающими к торцевому П-образному профилю, образующему впускную камеру, и сообщающими внутренний объем над абсорбером с внутренним объемом под абсорбером, а торцевой П-образный профиль, образующий выпускную камеру, может быть выполнен с отверстиями, соединяющими внутренний объем под абсорбером с выпускной камерой.
Поставленная задача решается также тем, что абсорбер может быть выполнен с селективным покрытием, нанесенным на его переднюю сторону, обращенную к прозрачному ограждению.
Поставленная задача решается также тем, что абсорбер может быть снабжен фотоэлектрическими элементами, установленными на его передней стороне.
Поставленная задача решается также тем, что абсорбер может быть дополнительно снабжен средствами интенсификации теплообмена, размещенными на его тыльной стороне.
Поставленная задача решается также тем, что средства интенсификации теплообмена могут быть выполнены в виде штырьковых турбулизаторов.
Поставленная задача решается также тем, что абсорбер может быть дополнительно снабжен продольными трубками для протекания жидкого теплоносителя, размещенными на его тыльной стороне.
На фиг.1 представлен поперечный разрез предлагаемого солнечного коллектора.
На фиг.2 - продольный разрез А-А на фиг.1.
На фиг.3 - поперечный разрез предлагаемого солнечного коллектора с внутренними П-образными профилями.
На фиг.4 - поперечный разрез предлагаемого солнечного коллектора с вариантом установки внутренних П-образных профилей.
На фиг.5 - поперечный разрез предлагаемого солнечного коллектора, прозрачное ограждение которого выполнено с продольными каналами.
На фиг.6 - продольный разрез Б-Б на фиг.5.
На фиг.7 - поперечный разрез предлагаемого солнечного коллектора, абсорбер которого снабжен фотоэлектрическими элементами.
На фиг.8 - поперечный разрез предлагаемого солнечного коллектора, абсорбер которого снабжен средствами интенсификации теплообмена, выполненными в виде штырьковых турбулизаторов.
На фиг.9 - поперечный разрез предлагаемого солнечного коллектора, абсорбер которого снабжен продольными трубками для протекания жидкого теплоносителя.
На фиг.10 - продольный разрез В-В на фиг.9.
Предлагаемый многофункциональный солнечный коллектор (фиг.1, 2) содержит монолитный корпус 1 из теплоизоляционного материала, прозрачное ограждение 2 и абсорбер 3, расположенный в корпусе 1. Корпус 1 выполнен П-образным. В корпусе 1 с обеих его торцевых сторон установлены торцевые П-образные профили 4. Прозрачное ограждение 2 размещено на боковых выступах 5 корпуса 1 и торцевых П-образных профилях 4. Корпус 1 и прозрачное ограждение 2 с боковых сторон охвачены внешними П-образными профилями 6, выполненными из металла или стеклопластика, а с торцевых сторон - торцевыми крышками 7, образующими с торцевыми П-образными профилями 4 впускную 8 и выпускную 9 воздушные камеры, сообщенные с внутренним объемом корпуса 1 и внешними воздуховодами (не показаны). Корпус 1 может быть выполнен, в частности, из вспененного материала, например из пенополиуретана, который обладает достаточной механической прочностью и малым коэффициентом теплопроводности. Прозрачное ограждение 2 может выполняться из стекла или полимерного материала, например из однослойного или многослойного поликарбоната. Прозрачное ограждение 2 оказывается при этом зажатым между внешними П-образными профилями 6 и корпусом 1 и при наличии упругого герметика на соприкасающихся поверхностях, компенсирующего тепловые расширения этих поверхностей, такая конструкция надежно защищает внутренний объем от попадания в него влаги и пыли из окружающей среды. Торцевые П-образные профили 4 служат опорой для прозрачного ограждения 2 с торцевых сторон. Коллектор (фиг.3, 4) может быть снабжен внутренними П-образными профилями 10 из тонкого металла или стеклопластика, размещенными в корпусе 1, примыкающими к его боковым выступам 5, контактирующими верхними гранями с прозрачным ограждением 2 и воспринимающими механическую нагрузку со стороны прозрачного ограждения 2. Эта нагрузка может быть значительной в зимние периоды за счет накопившегося снега. Прозрачное ограждение 2 в этом случае оказывается зажатым между внешними 6 и внутренними 10 П-образными профилями. Во внутренних П-образных профилях 10 могут быть установлены теплоизолирующие вставки 11. В обоих торцевых П-образных профилях 4 могут быть выполнены отверстия 12, сообщающие внутренний объем корпуса 1 с воздушными камерами 8, 9.
В варианте (фиг.5, 6) прозрачное ограждение 2 может быть выполнено с продольными каналами 13, соединенными с впускной воздушной камерой 8, и снабжено заглушкой 14, закрывающей продольные каналы 13 со стороны выпускной воздушной камеры 9. При этом внутренняя стенка 15 прозрачного ограждения 2 может быть выполнена с отверстиями 16, примыкающими к торцевому П-образному профилю 4, образующему выпускную камеру 9, и сообщающими продольные каналы 13 с внутренним объемом. Абсорбер 3 может быть выполнен с перепускными отверстиями 17, примыкающими к торцевому П-образному профилю 4, образующему впускную камеру 8, и сообщающими внутренний объем над абсорбером 3 с внутренним объемом под абсорбером 3. А торцевой П-образный профиль 4, образующий выпускную камеру 9, выполнен с отверстиями 18, соединяющими внутренний объем под абсорбером 3 с выпускной камерой 9.
Абсорбер 3 может быть выполнен с селективным покрытием, нанесенным на его переднюю сторону, обращенную к прозрачному ограждению 2. В варианте (фиг.7) абсорбер 3 может быть снабжен фотоэлектрическими элементами 19, установленными на его передней стороне. Абсорбер 3 (фиг.8) дополнительно может быть снабжен средствами интенсификации теплообмена, размещенными на его тыльной стороне, выполненными, например, в виде штырьковых турбулизаторов 20. Кроме того, абсорбер 3 (фиг.9) дополнительно может быть снабжен продольными трубками 21 для протекания жидкого теплоносителя, размещенными на его тыльной стороне.
Описываемый коллектор работает следующим образом. Солнечные лучи, проходя через прозрачное ограждение 2 (фиг.1, 2), попадают на поверхность абсорбера 3, имеющую селективное покрытие, и поглощаются ею, в результате чего поверхность абсорбера 3 нагревается. Воздух от общего воздуховода (не показан) подается во впускную камеру 8, затем через отверстия 12 в торцевом П-образном профиле 4 поступает во внутренний объем корпуса 1, в котором находится абсорбер 3, омывает абсорбер 3 с передней и тыльной сторон, нагревается и через отверстия 12 в противоположном торцевом П-образном профиле 4 проходит в выпускную камеру 9, а из нее направляется либо потребителям, либо в последовательно соединенный воздушный коллектор или коллекторы (не показаны) для догрева его до более высокой температуры.
В варианте (фиг.5, 6) воздух из впускной камеры 8 поступает в каналы 13 прозрачного ограждения 2, выполненного из многослойного ячеистого прозрачного материала, например из ячеистого поликарбоната, затем, дойдя до заглушки 14, через отверстия 16 во внутренней стенке 15 прозрачного ограждения 2 проходит во внутренний объем над абсорбером 3, на противоположном конце абсорбера 3 разворачивается и через перепускные отверстия 17 входит во внутренний объем под абсорбером 3, после чего через отверстия 18 в торцевом П-образном профиле 4 поступает в выпускную камеру 9. При такой организации воздушного потока внутри коллектора уменьшаются тепловые потери, возникающие вследствие нагрева прозрачного ограждения 2 солнечной радиацией с внешней стороны и потоком тепла со стороны абсорбера 3.
У солнечных фотоэлектрических элементов 19 (фиг.7) коэффициент полезного действия снижается при повышении температуры. Охлаждение фотоэлементов 19 с помощью потока воздуха обеспечивает понижение температуры фотоэлементов 19, что повышает их кпд, одновременно обеспечивая наиболее эффективное использование поступающей солнечной радиации, так как уменьшение температуры абсорбера 3 уменьшает потери тепла из коллектора в окружающую среду. При использовании многофункционального коллектора поток энергии, получаемой от Солнца, разделяется на две части: одна часть энергии идет на нагрев воздуха, а другая часть отводится в виде электроэнергии. В результате температура воздуха на выходе из коллектора оказывается меньше, чем в случае, когда отвод энергии осуществлялся бы только воздухом. Если потребителю требуется более высокая температура воздуха, то последовательно с таким коллектором может устанавливаться коллектор, представленный на фиг.1, 2.
Средства интенсификации теплообмена (фиг.8), выполненные, например, в виде штырьковых турбулизаторов 20, размещенных на тыльной стороне абсорбера 3, увеличивают площадь теплообмена абсорбера 3 с проходящим во внутреннем объеме корпуса 1 воздушным потоком и тем самым повышается коэффициент теплоотдачи от абсорбера 3 воздушному потоку.
В варианте (фиг.9, 10) солнечные лучи, проходя через прозрачное ограждение 2, попадают на поверхность абсорбера 3, на передней стороне которого установлены фотоэлектрические элементы 19, и поглощаются ими, в результате чего поверхности абсорбера 3 и фотоэлектрических элементов 19 нагреваются. Воздух от общего воздуховода (не показан) подается во впускную камеру 8, затем через отверстия 12 в торцевом П-образном профиле 4 поступает во внутренний объем корпуса 1, в котором находится абсорбер 3, омывает абсорбер 3 с передней и тыльной сторон, а также фотоэлектрические элементы 19, нагревается и через отверстия 12 в противоположном торцевом П-образном профиле 4 проходит в выпускную камеру 9, а из нее направляется либо потребителям, либо в последовательно соединенный воздушный коллектор или коллекторы (не показаны) для догрева его до более высокой температуры. Одновременно в коллектор поступает жидкий теплоноситель, который, проходя по трубкам 21, размещенным на тыльной стороне абсорбера 3, отводит тепло от фотоэлементов 19 и направляется в емкость (не показана), где низкопотенциальное тепло утилизируется одним из известных способов. Например, в роли утилизирующей емкости может быть использован бак, из которого тепло отбирается тепловым насосом и отводится потребителям горячей воды, а охлажденная вода возвращается в коллектор. Другим примером емкости-утилизатора может служить плавательный бассейн, где температура обычно поддерживается на уровне, не превышающим 25°С.
В данном коллекторе жидкий и воздушный теплоносители нагреваются до более низкой температуры, чем в случае их отдельного участия в процессе охлаждения абсорбера 3 с фотоэлементами 19. Чтобы увеличить температуру воздушного и жидкостного теплоносителей до более высокого уровня, многофункциональный коллектор (или коллекторы) могут соединяться либо последовательно друг с другом, либо использоваться в комбинации с более простыми однофункциональными коллекторами, нагревающими каждый теплоноситель по отдельности.