Автономный солнечный фототеплотрубный водонагреватель
AUTONOMOUS SOLAR PHOTOTHERMAL TUBE WATER HEATER

Предлагаемое изобретение относится к области использования солнечной энергии, в частности к устройствам преобразования энергии светового излучения в тепло и электричество, и предназначено для получения горячей воды электричества для бытовых нужд с помощью солнечного излучения.
Известен солнечный водонагреватель, содержащий аккумулирующую и рекуперативную емкости, причем аккумулирующая и рекуперативная емкости образованы поверхностями двух коаксиально расположенных цилиндров со сферическим верхом, аккумулирующая емкость дополнительно снабжена светопрозрачной оболочкой, а рекуперативная емкость имеет штуцер по оси цилиндров с отверстием внутри аккумулирующей емкости, при этом аккумулирующая емкость имеет патрубок для ввода воды, а рекуперативная емкость - для ее вывода [Патент РФ №2679341, МПК F24 S 10/50, F24 S60/30,2019].
Недостатками известного устройства являются сложность его конструкции и применения при проектировании и строительстве крышных ограждений зданий, а также ограниченное использование солнечной энергии, что снижает его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является бытовой солнечный водонагреватель выполненный в виде трехгранной призмы, объем которой является баком-аккумулятором воды, а теплоприемной поверхностью (тепловым коллектором) является наклонная грань призмы, выполненная из листового металла, покрытого черной матовой краской, и имеющая покрытие из листового стекла, внутри которого, параллельно теплоприемной поверхности, установлена специальная разделительная панель, играющая роль дефлектора и выполненная из жесткого теплоизоляционного материала, примыкающая к боковым (треугольным) граням бака и имеет зазоры с другими поверхностями для обеспечения конвективных потоков, причем все поверхности бака-аккумулятора воды, кроме теплоприемной поверхности, имеют теплоизоляцию, а на одной из граней бака-аккумулятора закреплены патрубки для подвода холодной и отвода горячей воды [Патент РФ №2350853, МПК F24 J2/34, 2008].
Основным недостатком известного устройства являются ограниченное использование возможностей солнечной энергии, что снижает его эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности солнечного фототеплотрубного водонагревателя.
Технический результат достигается предлагаемым автономным солнечным фототеплотрубным водонагревателем, содержащим бак с тепловым коллектором, выполненным в виде наклонных граней призмы, теплоизоляцию, покрывающую наружные поверхности бака, снабженного патрубками для подвода холодной и отвода горячей воды, причем бак выполнен в виде расположенной вдоль конька крыши тепловой трубы, изготовленной в форме продольного бака, выполненного из металла с высокой теплопроводностью, полость которого является адиабатной зоной переноса теплоты, наружная поверхность теплового коллектора покрыта фотоэлементами, соединенными между собой и снабженными на торцах выходными коллекторами одноименных зарядов, соединенными с преобразователем и аккумулятором, днище бака–зона конденсации выполнено в виде щелевого канала для подогрева воды, выполненным с уклоном i, обеспечивающим протекание воды самотеком, снабженного патрубками входа и выхода подогреваемой воды, верхняя поверхность щелевого канала и внутренняя поверхность теплового коллектора–зона испарения покрыты решеткой, выполненной из пористого материала, боковые поверхности бака покрыты слоем пористого материала, а выходной патрубок соединен с накопительной емкостью, внутри которой помещен электронагреватель, соединенный с аккумулятором.
На фиг. 1-5 представлен автономный солнечный фототеплотрубный водонагреватель (АСФТТВН): фиг. 1, 2 - общий вид и разрез АСФТТВН; фиг. 3-5 - узел стыковки фотоэлементов с корпусом АСФТТВН и его разрезы.
Предлагаемый АСФТТВН содержит, расположенный вдоль конька крыши 1, продольный бак 2, выполненный из металла с высокой теплопроводностью в виде тепловой трубы, внутренняя полость которой, является адиабатной зоной переноса теплоты, теплоизоляцию, покрывающую наружные поверхности бака (на фиг. 1–5 не показана), с тепловым коллектором 3 в виде наклонных граней призмы, наружная поверхность которой покрыта фотоэлементами 4, соединенными между собой и снабженными на торцах выходными коллекторами одноименных зарядов 5, соединенными с преобразователем и аккумулятором, покрытыми, в свою очередь, сверху прозрачным материалом (на фиг. 1–5 не показаны) и днищем в виде щелевого канала 6 для подогрева воды, устроенным с углом наклона i, обеспечивающим протекание воды самотеком, снабженным снизу вверху и внизу патрубками 7 и 8 для входа и выхода подогреваемой воды, соответственно, причем внутренние боковые поверхности бака 2 покрыты слоем пористого материала 9, верхняя и внутренняя поверхности щелевого канала 6 и теплового коллектора 3 покрыты решеткой 10, выполненной также из пористого материала 9, а выходной патрубок 8 соединен с накопительной емкостью 11, внутри которой помещен электронагреватель 12, соединенный с аккумулятором (на фиг. 1–5 не показан).
В основу работы предлагаемого АCФТТВН положено свойство фотоэлементов 4 при воздействии на них солнечных лучей преобразовывать воспринятую солнечную энергию в электрическую и тепловую энергии [А. с. СССР №1603152, МПК F24 J2/32, 1990], а также способность транспортировки жидкости фитилем (пористым материалом 9 за счет капиллярных сил из зоны пониженного давления в зону повышенного давления и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, покрытых изнутри фитилем (пористым материалом 9) и частично заполненных рабочей жидкостью-переносчиком теплоты, которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты фотоэлементов 4 на внутренней поверхности теплового коллектора 3), адиабатная зона (переноса теплоты – полость продольного бака 2) и зона конденсации (отвода теплоты – верхняя щелевого канала 6) [В. В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. – Минск: Выш. школа, 1988, с. 146; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. – М.: 1990, с.106]. Компоновка АCФТТВН (сверху – фотоэлемент 4, снизу – тепловой коллектор 3) позволяет одновременно производить съем тепла с фотоэлементов 4, увеличивая эффективность их работы по генерации электричества, испаряя рабочую жидкость, пар которой конденсируясь на верхней поверхности щелевого канала 6 в баке 2, отдает тепло нагреваемой воде, самотеком движущейся в канале 6 и поступающей в накопительную емкость 11, а полученный конденсат по пористому материалу 9 решеток 10 и его слою на боковых стенках бака 2 снова поступает в зону испарения на внутренней поверхности теплового коллектора 3. При этом решетки 10, изготовленные из пористого материала 9, на внутренней поверхности теплового коллектора 3 и верхней поверхности щелевого канала 6 выполняют функции распределителей и коллекторов конденсата на этих поверхностях, соответственно.
АCФТТВН предназначен для южных регионов с длительным количеством солнечных дней в году, устанавливается во время монтажа крыши 1 (ориентировка бака 2 относительно стран света определяется ориентировкой здания и его крыши) и работает следующим образом. В дневной период фотоэлементы 4 сверху нагреваются солнечными лучами, генерируя электричество, а выделяемое тепло удаляется снизу через тепловой коллектор 3, на внутренней поверхности которого испаряется рабочая жидкость. пар которой по адиабатному пространству бака 2 поступает на верхнюю поверхность щелевого канала 6, конденсируется на ней, отдавая тепло нагреваемой воде, самотеком за счет уклона i движущейся в канале 6, которая поступает в накопительную емкость 11, а полученный конденсат по пористому материалу 9 решеток 10 и его слою на боковых стенках бака 2 снова поступает в зону испарения на внутренней поверхности теплового коллектора 3. При этом, полученное в фотоэлементах 4, электричество аккумулируется в аккумуляторе (на фиг. 1–5 не показан) и расходуется на бытовые нужды (нагрев воды в ночное время, освещение и пр.).
Температура нагрева воды, ее количество, величина разности электрического потенциала на коллекторах 5, сила электрического тока зависит от площади теплового коллектора 3,характеристик и количества фотоэлементов 4, продолжительности и интенсивности солнечного облучения.
Таким образом, предлагаемый АCФТТВН обеспечивает утилизацию солнечной энергии с одновременным получением тепла и электрической энергии, которые можно использовать для получения горячей воды, обслуживания различных технических устройств, обогрева и освещения жилых и производственных помещений без затраты топлива, загрязнения окружающей среды, создания шумового эффекта и выделения теплового излучения, что, в конечном счете, повышает эффективность работы предлагаемого устройства.