МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР
MULTIFUNCTIONAL SOLAR COLLECTOR

Изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для преобразования солнечного излучения в тепловую и электрическую энергию. Оно может быть использовано для альтернативного энергообеспечения зданий и сооружений.
Известен солнечный коллектор (1), имеющий прозрачное ограждение и камеру, образованную гофрированной стенкой и днищем корпуса и соединенную с трубками трубчатого абсорбера. Трубки формы трехгранной призмы обращены ребрами к вершинам гофр, на которых установлены опорные элементы для трубчатого абсорбера. Выполнение поглотителя солнечной радиации трубчатым не позволяет нагреть теплоноситель до высокой температуры, так как трубки трубчатого абсорбера не имеют дополнительных поверхностей, которые бы улавливали излучение любого типа, в том числе и отраженное, преобразовывали и передавали полученную тепловую энергию нагреваемой среде. В зонах гофрированной стенки, расположенных возле вершин гофр, угол между направлениями падения и отражения солнечной радиации будет небольшим, поэтому отраженное излучение беспрепятственно пройдет к прозрачному ограждению, минуя поверхность трубок, тем самым снижая их облученность и увеличивая потери в окружающую среду.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является многофункциональный солнечный коллектор (2), содержащий корпус из теплоизоляционного материала, прозрачное ограждение, абсорбер с продольными трубками, расположенный в корпусе, впускную и выпускную камеры и фотоэлектрические элементы, установленные на передней стороне абсорбера, обращенной к прозрачному ограждению. Для увеличения поглощающей способности абсорбера такая конструкция устройства предусматривает дорогое и технически сложное в исполнении селективное покрытие. Селективное покрытие, увеличивая поглощающую способность абсорбера, не уменьшает его собственное излучение, которое возрастает с повышением температуры поверхности, что приводит к росту потерь коллектора в окружающую среду. Так как для эффективной передачи уловленной тепловой энергии абсорберы в основном выполняются металлическими, то размещение фотоэлектрических элементов на их поверхности снижает безопасность устройства. Применение только впускной и выпускной камер для теплоносителя не повлияет на аккумулирующую способность коллектора, которую при нестабильных климатических условиях следует увеличивать.
Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования солнечного излучения в тепловую и электрическую энергии при увеличении срока службы устройства за счет интенсивного охлаждения применяемых фотоэлектрических элементов в процессе нагревания теплоносителя.
Эта задача решается тем, что в многофункциональном солнечном коллекторе, содержащем корпус с теплоизоляционным материалом, впускную и выпускную камеры, расположенные в корпусе под прозрачным ограждением абсорбер с продольными трубками и фотоэлектрические элементы, отличительными от прототипа признаками являются размещение над абсорбером одного или нескольких слоев металлических сеток, имеющих продольные полимерные трубки, включающие участки металлических сеток и сообщенные с продольными трубками абсорбера посредством промежуточной камеры, а фотоэлектрические элементы расположены на передней поверхности продольных полимерных трубок, обращенной к прозрачному ограждению.
Предлагаемая конструкция многофункционального солнечного коллектора при применении металлических сеток позволяет достичь более высокой облученности поглощающих элементов с одновременным снижением отражения в окружающую среду. Последовательный теплосъем теплоносителем уловленной энергии с металлических сеток и фотоэлектрических элементов, в процессе охлаждения последних, а затем в абсорбере, обеспечивает более высокую температуру на выходе из устройства. Указанное охлаждение фотоэлектрических элементов значительно продлевает срок безотказной эксплуатации. Дополнительное использование продольных полимерных трубок и промежуточной камеры повышает аккумулирующую способность многофункционального солнечного коллектора.
На фиг.1 изображен вид сверху.
На фиг.2 показан разрез 1-1.
На фиг.3 представлен фрагмент поперечного разреза многофункционального солнечного коллектора.
2
Многофункциональный солнечный коллектор содержит корпус 1 с теплоизоляционным материалом 2, прозрачное ограждение 3 и абсорбер 4, расположенный в корпусе под прозрачным ограждением 3. Абсорбер 4 имеет продольные трубки 5 для теплоносителя, которые так же как и абсорбер 4 выполнены металлическими. Над абсорбером 4 под прозрачным ограждением 3 расположены на небольшом расстоянии друг от друга один или несколько слоев металлических сеток 6. Металлические сетки 6 выполнены из элементов протяженной длины и площадью поперечного сечения не более 2 мм с образованием ячеек 7 незначительного размера. Длина и ширина самих сеток соответствуют габаритным размерам абсорбера, и они также снабжены продольными трубками 8 для теплоносителя, выполненными из полимерного материала. Продольные полимерные трубки 8 содержат участки сеток 9, так как они собраны из отдельных продольных сегментов 10 посредством термической сварки. Сварка может быть осуществлена предварительным нагреванием металлических сеток 6 с последующим их остыванием при соприкосновении и фиксации положения на них продольных сегментов 10 полимерных трубок 8. На внешней поверхности продольных полимерных трубок 8 со стороны прозрачного ограждения 3 закреплены фотоэлектрические элементы 11. Продольные полимерные трубки 8 соединены с впускной камерой 12, имеющей входной парубок 13 для теплоносителя, а продольные металлические трубки 5 с выпускной камерой 14, снабженной выходным патрубком 15. Продольные трубки 5 абсорбера 4 и полимерные 8 трубки расположены по отношению друг к другу в шахматном порядке и сообщаются между собой посредством промежуточной камеры 16 для теплоносителя.
Устройство работает следующим образом.
Теплоноситель по входному патрубку 13 поступает во впускную камеру 12 многофункционального солнечного коллектора, а затем в продольные полимерные трубки 8. Перемещаясь по полимерным трубкам 8, теплоноситель нагревается за счет передачи теплоты от металлических сеток 6, подвергаемых интенсивному воздействию солнечной радиации, прошедшей через прозрачное ограждение 3. Участки металлических сеток 9, расположенные в продольных полимерных трубках 8, турбулизируют теплоноситель, что интенсифицирует теплообмен, тем самым вызывая рост его температуры. После продольных полимерных трубок 8 теплоноситель поступает через промежуточную камеру 16 в продольные металлические трубки 5 абсорбера 4. Часть солнечной радиации, не поглощенная элементами металлических сеток 6, попадает через ячейки 7 последних на абсорбер 4, где переходит в теплоту. Высокая теплопроводность металла абсорбера 4 обеспечивает беспрепятственную передачу полученной энергии к продольным металлическим трубкам 5 и к перемещающемуся в них теплоносителю. После чего нагретый теплоноситель поступает в выпускную камеру 14 и по выходному патрубку 15 направляется потребителю.
Солнечная радиация, пройдя через прозрачное ограждение 3, попадает не только на металлические сетки 6 и абсорбер 4, но и на фотоэлектрические элементы 11, закрепленные на продольных полимерных трубках 8. Под воздействием солнечного излучения фотоэлектрические элементы 11, нагреваясь, вырабатывают электроэнергию. Длительная эксплуатация фотоэлектрических элементов 11 при высокой температуре приводит к сокращению их срока службы. Размещение на поверхности продольных полимерных трубок 8 обеспечивает их охлаждение за счет своевременного теплосъема с передачей избыточной энергии нагреваемому теплоносителю. При применении полимерных материалов для продольных трубок 8 с расположенными на них фотоэлектрическими элементами 11 достигается изоляция теплоносителя от вырабатываемой электроэнергии, что востребовано условиями безопасной эксплуатации многофункционального солнечного коллектора.
В устройстве прошедшее через прозрачное ограждение 3 солнечное излучение поглощается как элементами металлических сеток 6, так и абсорбером 4. Но при попадании радиации на абсорбер 4 его поверхность не только частично отражает, но и вызывает собственное излучение из-за высокой температуры. Излучение, направленное от абсорбера 4, вновь попадает на металлические сетки 6, где происходит его поглощение элементами последних. Расположение нескольких слоев металлических сеток 6 и незначительный размер их ячеек 7 обеспечивает наиболее полное улавливание солнечной радиации и сокращает потери теплоты в окружающую среду. Такая эффективная утилизация солнечной энергии позволяет отказаться от дорогостоящих и технологически сложно исполняемых селективных покрытий для поглощающих поверхностей.
Дополнительное снабжение коллектора продольными полимерными трубками 8 и их последовательное соединение с продольными трубками 5 абсорбера 4 посредством промежуточной камеры 16 приводит к более длительному пребыванию теплоносителя в устройстве, тем самым создавая условия для увеличения времени контактирования с преобразованной солнечной энергией, что неизбежно приводит к его прогреву до более высоких температур. Заполнение теплоносителем продольных трубок 5, 8 и камер 12, 14, 16 повышает аккумулирующую способность многофункционального солнечного коллектора.
Источники информации
1. Патент 1578418, МКИ F24J 2/14.
2. Патент 2388974, МКИ F24J 2/04, F24J 2/46.