ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР
ENERGY-EFFICIENT SOLAR COLLECTOR

Энергоэффективный солнечный коллектор (ЭСК) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности энергии Солнца, и предназначен для поглощения солнечной радиации, преобразования ее в тепловую энергию в целях горячего водоснабжения жилых и нежилых помещений различного назначения.
Известен солнечный коллектор [1], предназначенный для работы в условиях северных территорий и содержащий герметичный корпус с прозрачной верхней панелью. Внутри герметичного корпуса установлено теплоприемное устройство в виде трубчатого коллектора для прохождения теплоносителя. В верхней части корпуса, по всему периметру, размещены фотоэлементы в виде полосы, контактирующей с прозрачным токопроводящим элементом, на котором установлена прозрачная панель. Кроме того, коллектор содержит электрическую цепь, включающую блок управления с выключателем, аккумулятор и датчик давления снежного покрова. Наличие в коллекторе фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в тепловую и электрическую энергию, а также электрической цепи, связанной с фотоэлементами и прозрачным токопроводящим элементом и осуществляющей через блок управления заряд аккумулятора в условиях солнечной погоды с целью аккумулирования электрической энергии и разряд аккумулятора на прозрачный токопроводящий элемент при снежном покрове через датчик давления снежного покрова, а в пасмурную и морозную погоду - через выключатель блока управления с целью нагрева верхней прозрачной панели, обеспечивает устойчивую эксплуатацию коллектора в условиях северных территорий без привлечения дополнительных источников энергии. Недостатками рассматриваемого изобретения являются трудности применения датчика давления снежного покрова, так как даже небольшой слой снега на солнечном коллекторе уже препятствует работе фотоэлементов, а датчик давления, настроенный на вес снега небольшой толщины, будет срабатывать от скоростного давления ветра, что определяет трудности в надежной эксплуатации изобретения.
Известно изобретение [2], которое содержит замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала шириной L, состоящую из центральной цилиндрической поверхности радиусом R, сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей радиусом r и плоскости, касательной к двум боковым цилиндрическим поверхностям, две торцевые крышки, установленные на торцах оболочки, и размещенную в оболочке плоскую теплоприемную панель шириной Н и толщиной t с селективным поглощающим покрытием и с каналами для протекания жидкого теплоносителя, причем геометрические размеры оболочки и теплоприемной панели связаны следующими соотношениями: 5Н≥R≥3Н; l,5t≥r≤(√2/2)t; 1,1Н≥L≥1,05Н. Изобретение позволяет увеличить эффективность работы солнечного коллектора на 10-15%, увеличить его стойкость к атмосферным воздействиям. Недостатками этого изобретения являются: большая высота солнечного коллектора, исходя из приведенных формул; по приведенному чертежу неочевидно (показан один канал) увеличение на 10%-12% эффективности работы, так как не указано расстояние между каналами для теплоносящей жидкости, в то время известно, что съем тепла с поглощающей панели обеспечивается площадью ее контакта с каналами.
Известен коллектор солнечной энергии для подогрева жидкости [3], имеющий в своем составе поглотитель солнечной энергии, подкладку, между подкладкой и поглотителем - полость для жидкости, желоб для отвода нагретой жидкости, подводящий и отводящий патрубки. Недостатком этого коллектора является то, что к нему нельзя подводить жидкость под давлением, например подключать к водопроводу, так как при этом в конструкциях коллектора создаются значительные напряжения, которые коллектор не способен выдержать без разрушения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому ЭСК является изобретение [4], содержащее, по меньшей мере, два аналогичных соединенных между собой фрагмента, выполненных с профилированной поверхностью, имеющей гофры, и соединенных между собой с возможностью сопряжения и герметичного жесткого соединения между собой по внешнему периметру и внутри него, на внешнюю сторону одного из которых нанесено селективное поглощающее покрытие, входной и выходной коллектор со штуцерами. Профилированная поверхность образована в результате пластической деформации под действием внутреннего давления изначально плоских листовых фрагментов, предварительно герметично соединенных между собой, на концах жестких соединений между гофрами образованы широкие треугольные, круглые или каплеобразные законцовки, между ними и коллекторами расположены прерывистые швы жесткого соединения, причем расстояние между законцовками и перпендикулярным им прерывистым швом составляет не менее пяти сотых и не более одного расстояния между соседними гофрами. Технический результат заключается в снижении стоимости, энерго- и материалоемкости, повышении надежности и технологичности изготовления теплоприемной панели. Недостатками данного изобретения являются: потребность в специальном технологическом оборудовании для изготовления теплоприемной панели, весьма большая вероятность потери герметичности при пластической деформации под действием внутреннего давления для образования гофр из листов, предварительно герметично соединенных между собой, а металлоемкость теплоприемной панели практически не изменится по сравнению с аналогами [5].
Существенным отличительным признаком предлагаемого ЭСК является наличие пластикового двухкамерного корпуса с алюминиевыми вставками для придания жесткости пластиковому двухкамерному коробу, а также волнистой оптически активной прозрачной изоляции, изготовленной из ударопрочного стекла, а волны представляют продольные двояковыпуклые линзы с прямолинейными участками между волнами. В целом конструкция ЭСК максимально адаптирована к производству пластиковых окон.
Существенным преимуществом является наличие в конструкции ЭСК: поглощающей панели, изготовленной из тандемных трубок, представляющих сборку алюминиевых и медных трубок, причем алюминиевая толстостенная труба насажена на тонкостенную медную трубу; алюминиевой сетки; алюминиевой теплоаккумулирующей стружки; коллекторов прямоугольного сечения для холодного и горячего теплоносителя (вода, этиленгликоль и т.п.); алюминиевых втулок для соединения тандемных трубок с коллекторами прямоугольного сечения; термостойких пластиковых вставок с зеркальной внутренней поверхностью, установленных на внутренних боковых стенках пластикового двухкамерного корпуса между прозрачной изоляцией и задней стенкой; патрубков для холодного и горячего теплоносителя; задней стенки, выполненной из термостойкого пластика и имеющей зеркальную внутреннюю поверхность.
Цель изобретения - повышение эффективности использования энергии Солнца, уменьшение толщины, снижение веса и себестоимости ЭСК, а также повышение технологичности конструкции коллектора. Использование ЭСК косвенно ограничивает выброс парниковых газов за счет замены традиционных источников энергии тепловых электростанций, используемой для горячего водоснабжения.
Устройство и составные части ЭСК показаны на чертежах: на фиг.1 -общий вид в поперечном разрезе; на фиг.2 - общий вид в продольном разрезе; на фиг.3 - общий вид съемной крышки.
ЭСК состоит из следующих составных частей: пластиковый двухкамерный корпус 1 с алюминиевыми вставками 2 для придания жесткости пластиковому двухкамерному коробу; волнистая оптически активная прозрачная изоляция 3, изготовленная из ударопрочного стекла, а волны представляют продольные двояковыпуклые линзы 4 с прямолинейными участками между волнами 5; резиновое П-образное уплотнение 6 для герметизации соединения оптически активной прозрачной изоляции 3 с корпусом 1; поглощающая (теплопоглощающая) панель 7, состоящая из тандемных трубок 8, которые представляют сборку алюминиевых толстостенных 9 и медных тонкостенных 10 трубок, причем алюминиевая толстостенная труба 9 насажена на тонкостенную медную трубу 10 с помощью термостойкого клея-герметика; алюминиевая сетка 11; тандемные трубки 8, имеющие с двух сторон конусные расточки под углом 45° (не обозначены), обеспечивающие свободное протекание холодной теплоносящей жидкости (теплоносителя) из прямоугольного коллектора 13 в тандемные трубки 8 и далее нагретого теплоносителя в прямоугольный коллектор 14; теплоаккумулирующая алюминиевая стружка 12 в пространстве между сеткой и задней стенкой корпуса; прямоугольные коллекторы 13, 14 для холодного и горячего теплоносителя соответственно; буртики 15 прямоугольных коллекторов 13, 14 для теплоносителя с отверстиями под фиксирующие болты 16; съемные крышки 17, 18 коллекторов прямоугольного сечения (прямоугольных коллекторов) 13, 14 с отверстиями 25, совпадающими с отверстиями буртиков 15 под фиксирующие болты 16; алюминиевые втулки 19 для соединения тандемных трубок 8 с прямоугольными коллекторами 13, 14; термостойкие пластиковые вставки с зеркальной внутренней поверхностью 20, расположенные на малых противоположных сторонах внутренней поверхности корпуса 1; патрубки для холодного и горячего теплоносителя 21, 22 соответственно, которые крепятся к боковым стенкам корпуса 1 и прямоугольным коллекторам 13, 14 с использованием термостойкого клея; задняя стенка 23, выполненная из термостойкого пластика и имеющая зеркальную внутреннюю поверхность 24, например, выполненную из фольги, которая наклеивается на внешнюю поверхность задней стенки, предварительно покрытую с двух сторон не менее чем двумя слоями термоизолирующей краски.
ЭСК работает следующим образом. Солнечная радиация проникает через двояковыпуклые линзы 4 и прямолинейные участки 5 волнистой оптически активной прозрачной изоляции 3, нагревает поглощающую панель 7, состоящую из тандемных трубок 8, внешняя поверхность которой имеет высокоселективное покрытие. Причем продольные двояковыпуклые линзы 4 концентрируют солнечные лучи на тандемных трубках 8 поглощающей панели 7, алюминиевой сетке 11 и алюминиевой теплоаккумулирующей стружке 12. Кроме того, солнечные лучи, отражаясь от зеркальной поверхности пластмассовых вставок 25, участвуют в тепловом нагреве тандемных трубок 8. Тепловой нагрев тандемных трубок 8 происходит также от отраженных тепловых лучей зеркальной поверхностью 24 задней стенки 23. Передача тепла теплоносящей жидкости тандемными трубками 8 происходит следующим образом. Холодная теплоносящая жидкость подается через патрубок 21 в прямоугольный коллектор 13 для холодного теплоносителя, откуда он поступает в тандемные трубки 8. Нагретые солнечной радиацией алюминиевые толстостенные трубки 9 аккумулируют и передают тепло тонкостенным медным трубкам 10, которые, обладая высокой теплопроводностью (таблица), в свою очередь, быстро нагревают теплоносящую жидкость, которая попадает в прямоугольный коллектор 14 для горячего теплоносителя и далее через патрубок 22 потребителям. Эффективность теплопереноса тандемными трубками 8 обеспечивается разными теплофизическими свойствами алюминиевых толстостенных трубок 9 и медных тонкостенных трубок 10 (таблица).
Таблица
Сравнительные характеристики тепловых свойств меди и алюминия
Металл
Температура,°C
Удельная теплоемкость, Дж /кг·°C
Температура, °C
Коэффициент теплопроводности, кВт /м·°C
Медь
97,5-св.1100
0,40-0,55
20
0,386
Алюми-ний
От 0-100 до 660
0,87-1,27
20
0,210
Из таблицы видно, что теплоемкость алюминия более чем в 2 раза больше, чем у меди, а теплопроводность меди в 1,84 раза больше, чем у алюминия. Таким образом, алюминиевая толстостенная труба 9, обладая большим объемом и теплоемкостью, аккумулирует солнечную радиацию непосредственно от волнистой оптически активной прозрачной изоляции 3, алюминиевой теплоаккумулирующей стружки 12, частично от алюминиевой сетки 11, а также аккумулирует отраженные тепловые и солнечные лучи от зеркальной внутренней поверхности термостойких пластиковых вставок 19; в то время как медная тонкостенная труба 9, обладая большей теплопроводностью, интенсивно отводит тепло от алюминиевой толстостенной трубы 8. В случае временного затенения Солнца облаками или после захода Солнца аккумулированное алюминиевой толстостенной трубой 8, алюминиевой теплоаккумулирующей стружкой 12 и алюминиевой сеткой 11 тепло полностью снимается медной тонкостенной трубой 9 и передается теплоносящей жидкости.
Эффективность ЭСК повышается за счет применения тандемных трубок 7, волнистой оптически активной прозрачной изоляции 3, алюминиевой сетки 10, алюминиевой теплоаккумулирующей стружки 11, термостойких пластиковых вставок 19 с зеркальной внутренней поверхностью, задней стенки 22, выполненной из термостойкого пластика и имеющей зеркальную внутреннюю поверхность 23, внешняя поверхность которой покрыта не менее чем двумя слоями термоизолирующей краски.
ЭСК может устанавливаться под углом к горизонту от 0° до 90°, что обеспечивает его эксплуатацию на местности любой широты или на вертикальных стенах зданий. Применение алюминиевых втулок 18 для соединения тандемных трубок 8 с коллекторами прямоугольного сечения 13, 14 с помощью термостойкого клея-герметика упрощает технологию сборки тандемных трубок 8. Наличие коллекторов прямоугольного сечения 13, 14 для холодного и горячего теплоносителя соответственно и буртиков 15 коллекторов прямоугольного сечения 13, 14 с отверстиями под фиксирующие болты 15, съемных крышек 16, 17 коллекторов прямоугольного сечения 13, 14 с отверстиями, совпадающими с отверстиями буртиков 15 под фиксирующие болты 16, делает конструкцию ЭСК ремонтопригодной. Резиновое П-образное уплотнение 6 применяется для герметизации соединения оптически активной прозрачной изоляции 3 и задней крышки 23 с корпусом 1. Достоинством ЭСК также являются: максимальная адаптация к технологии сборки оконных рам, отсутствие сварки алюминия и меди за счет применения термостойкого клея-герметика, малая толщина конструкции, которая достигается за счет применения теплоизолирующей краски.
Учитывая сказанное, себестоимость ЭСК на 30-35% меньше, чем у существующих аналогов.
Список цитируемой литературы
1. Солнечный коллектор, патент RU №2428637 от 10.09.2011.
2. Солнечный коллектор, патент RU №2393390 С1 от 27.06.2010.
3. Коллектор солнечной энергии для подогрева жидкости. Sonnenkollektor zur Erwarmimq eines Fluides. Заявка ФРГ №4104638, M. кл. F24J 2/48, cost Kurlfried. №4104638.2, заявл. 15.02.1991, опубл. 20.08.1992.
4. Теплоприемная панель, патент RU №2450217 С2 от 27.11.2011.
5. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.