СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР
SOLAR COLLECTOR

Изобретение относится к области создания высокотемпературных солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения и может быть использовано во всех отраслях промышленности, где требуется тепловая энергия.
Известен солнечный коллектор, содержащий замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала шириной L, состоящую из центральной цилиндрической поверхности радиуса R, сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей радиусом r и плоскости, касательной к двум боковым цилиндрическим поверхностям. На торцах оболочки установлены две крышки, образующие с оболочкой замкнутую полость, в которую установлена плоская теплоприемная панель шириной Н и толщиной t с селективным поглощающим покрытием на ее внешней поверхности и с каналами для протекания жидкого теплоносителя, причем по всей длине панели на ее краях с каждой стороны установлены отогнутые к задней поверхности панели дополнительные теплоприемные элементы с селективным теплопоглощающим покрытием, предназначенные для более эффективного поглощения солнечной энергии в утренние и вечерние часы, причем геометрические размеры оболочки и теплоприемной панели связаны следующими соотношениями 5H≥R≥3H; 1,5t≥r≥(2/2)t; 1,1H≥L≥1,05H по патенту RU №2224188, МПК F24J 2/04, опубл. 20.02.2004.
Недостатком известного солнечного коллектора является то, что дополнительные теплоприемные элементы в течение всего светового дня больше сбрасывают тепла, чем передают теплоносителю, так как в ранние утренние часы вся освещенная солнцем часть панели холодная и нет ни термосифонного, ни принудительного движения теплоносителя, так как при холодной панели циркуляционный насос не включается. При работе коллектора в середине светового дня тепловой поток на дополнительные элементы от солнца меньше, чем на основную поверхность теплоприемной панели, а потери теплопередачей через боковые цилиндрические поверхности больше в π/2 раз.
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
Наиболее близким к предложенному является солнечный коллектор, содержащий теплоизолированный корпус, в верхней части которого размещена пластина из набора линзовых концентратов, под которыми в фокальной плоскости расположен теплоприемник, состоящий из тепловоспринимающей поверхности, при этом тепловоспринимающая поверхность выполнена выпукло-вогнутой, состоящей из вогнутых ячеек и повторяющей пространственную кривую, описываемую фокальной точкой каждой линзы в соответствии с положением солнца в течение светового дня и солнечного склонения и расположена на расстоянии Н от линз, определяемом из соотношения
и достаточном для защиты последних от теплового воздействия тепловоспринимающей поверхности, при этом корпус снабжен установленным над линзами сферическим светопрозрачным ограждением и вакуумирован или заполнен газом, у которого длина свободного пробега молекул минимальна, где R - радиус кривизны линзы, n - коэффициент преломления света материала линзы по патенту RU №2194927, МПК F24J 2/08, опубл. 20.02.2004.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и технологии изготовления. Кроме того, применение сложных оптических систем, основанных на линзах, не снижают излучения части энергии в окружающую среду.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции и технологии изготовления коллектора с одновременным повышением температуры теплоносителя за счет уменьшения излучения части энергии в окружающую среду.
Указанная техническая задача решается тем, что солнечный коллектор содержит теплоизолированный корпус, концентраторы солнечного излучения, теплообменник и теплоприемник, состоящий из тепловоспринимающей поверхности, отличающийся тем, что тепловоспринимающая поверхность выполнена в виде перевернутых правильных усеченных пирамид (или конусов), изготовленных из материала с высоким коэффициентом преломления с зеркальными боковыми поверхностями, при этом большие основания пирамид (или конусов) образуют внешнюю поверхность, а меньшие направлены на теплообменник через окна в теплоизолирующем слое между тепловоспринимающей поверхностью и теплообменником, причем наружная поверхность теплообменника выполнена из материала с высокой степенью черноты.
Условие попадания всей солнечной энергии, которая проходит через большое основание пирамиды (или конуса) на поверхности теплоприемника, можно выразить неравенством:
<mrow><mi>arcsin</mi><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow><mi>n</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>m</mi><mi>γ</mi><mo><</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где α - угол падения солнечных лучей относительно нормали к поверхности большого основания пирамиды;
n - коэффициент преломления прозрачного материала пирамиды;
m - количество переотражения солнечного луча с боковых поверхностей пирамиды.
γ - угол наклона боковых граней пирамиды относительно нормали к поверхности большого основания пирамиды.
Из (1) видно, что при увеличении коэффициента преломления неравенство усиливается, а это значит, что все больше солнечной энергии, которая прошла через поверхность большого основания пирамиды, будет полностью поглощаться теплоприемником без его ориентации на солнце.
T
Количество солнечной энергии Q, которая поглощается теплоприемником (для одной пирамиды), в предложенном решении можно выразить уравнением:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>q</mi><mi>п</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>c</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>т</mi></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>т</mi><mn>4</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub><mo>−</mo><mi>c</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>з</mi><mn>4</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
п
п
2
где q - плотность солнечной энергии, падающей на большое основание пирамиды, находится в пределах: q≈700-1000 вт/м;
т
S - площадь малого основания пирамиды;
c - постоянная Больцмана;
ε - степень черноты поверхности теплоприемника;
т
T - температура теплоприемника;
з
ε - степень черноты материала боковых поверхностей;
з
T - температура внешней поверхности солнечного коллектора (большие основания пирамид);
0
S - площадь большого основания пирамид.
Уравнение (2) можно привести к следующему виду:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mi>q</mi><mi>п</mi></msub><mo>−</mo><mi>c</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>т</mi></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>т</mi><mn>4</mn></msubsup><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>т</mi></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>з</mi><mn>4</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>т</mi><mn>4</mn></msubsup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Из (3) видно, что количество излучения солнечного коллектора в окружающей среде зависит от отношения площадей малого и большого основания пирамиды.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>→</mo><mn>0</mn></mrow>
При
предел коэффициента
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>т</mi></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>з</mi><mn>4</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>т</mi><mn>4</mn></msubsup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⇒</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>т</mi></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>з</mi><mn>4</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>т</mi><mn>4</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
В этом случае уравнение (3) принимает вид:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>q</mi><mi>п</mi></msub><mo>−</mo><mi>c</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>з</mi><mn>4</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
з
0
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>→</mo><mn>0</mn></mrow>
Так как в предлагаемом решении T≈Т, то практически при
излучение в окружающую среду не зависит от температуры теплоприемника.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,05</mn><mo>÷</mo><mn>0,01</mn></mrow>
На фиг.1 изображен общий вид коллектора, поперечное сечение, на фиг.2 - вид коллектора сверху, на фиг.3 - направление лучей в зависимости от положения солнца в течение дня и солнечного склонения.
Солнечный коллектор содержит теплоизолирующий корпус 1, концентраторы 2 солнечного излучения, теплообменник 3 и теплоприемник 4. Тепловоспринимающая поверхность теплоприемника 4 выполнена в виде перевернутых правильных усеченных пирамид 5 (или конусов (на фиг. не показаны)), изготовленных из материала с высоким коэффициентом преломления (например, полистирол - 1,59 или поликарбонат - 1,586) с зеркальными 6 боковыми поверхностями. При этом большие 7 основания пирамид (или конусов (на фиг. не показаны)) образуют внешнюю поверхность, а меньшие 8 направлены на теплообменник 3 через окна 9 в теплоизолирующем слое 10, при этом боковые поверхности окон 9 выполнены зеркальными. Наружная поверхность 11 теплообменника 9 выполнена из материала с высокой степенью черноты.
На фиг.3 показано направление солнечного излучения под углом α относительно вертикали. При этом за счет высокого коэффициента преломления материала тепловоспринимающей поверхности теплоприемника 4 солнечное излучение отклоняется под углом β относительно вертикали, который меньше угла α. В конечном итоге солнечное излучение практически полностью поглощается теплообменником 3. Угол наклона боковых граней усеченных перевернутых пирамид относительно вертикали равен γ. На фиг.3 также показано (штриховой линией) практически полное отражение солнечного излучения в случае воздушного заполнения тепловоспринимающей поверхности теплоприемника 4.
Полезность предложенного изобретения заключается в том, что поглощение теплоприемником солнечного излучения без его ориентации на солнце в несколько раз превышает этот показатель, полученный по прототипу.
Источники информации
1. RU №2224188, МПК F24J 2/04, опубл. 20.02.2004.
2. RU №2194927, МПК F24J 2/08, опубл. 20.02.2004 - прототип.