Эффективный солнечный коллектор с теплопоглощающим самоприжимным профильным листом и термоинтерфейсом

Полезная модель эффективный солнечный коллектор с теплопоглощающим самоприжимным профильным листом и термоинтерфейсом (далее солнечный коллектор) относится к гелиотехнике и может быть использована в системах горячего водоснабжения в жилых домах, коттеджах, гостиницах, больницах, летних домиках в зонах отдыха, детских садиках, школах и других социальнобытовых объектах. Известен солнечный коллектор патент США №3395614. кл. F24j 3/02 1976 г., содержащий корпус с прозрачной передней стенкой, поглощающей панелью и установленным в корпусе поглотителем в виде продольной пластины с отверстиями и размещенными под каждой из них камерами, открытыми со стороны пластины, причем стенки каждой камеры выполнены в форме усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к камере, а стенки последней камеры выполнены в форме неполной сферы. Этот солнечный коллектор конструктивно сложен, что требует длительного времени изготовления и специального технологического оборудования для двустенной вакуумированной трубки, что ведет к усложнению коллектора и повышению стоимости поглотителя, кроме того, вакуумные трубки имеют низкую прочность к ударным нагрузкам, например, ударам крупного града и др. Известен полимерный солнечный коллектор, патент на полезную модель №84093 U1, F24J 3/02 от 27.06.2009 г., содержащий корпус, в котором размещены: теплопоглощающая панель из непрозрачного или полупрозрачного теплостойкого и стойкого к ультрафиолету полимерного материала в виде плоской пластины с продольными каналами; прозрачная теплоизоляция, выполненная из листового или сотового полимерного материала; теплоизоляция нижней и боковых сторон теплопоглощающей панели; коллекторные трубки, присоединенные к торцевым сторонам теплопоглощающей панели с помощью упругого герметизирующего материала, обе коллекторные трубки стягиваются друг к другу металлическими хомутами, располагающимися, как минимум, по краям. Основным недостатком указанной полезной модели является наличие специальной теплоизоляции внутри корпуса, а также наличие многочисленных стягивающих хомутов, что снижает эксплуатационные качества полимерного солнечного коллектора. Кроме того, соединение коллекторных трубок к торцевым сторонам теплопоглощающей панели с помощью упругого герметизирующего материала не является надежным по сравнению с резьбовыми соединениями. Особо следует отметить, что эффективность полимерных солнечных коллекторов несколько хуже, чем солнечных коллекторов, выполненных из металлических трубок с теплоприемной панелью из медных или алюминиевых листов, а также из тонкостенных листов из нержавеющей стали, поэтому необходимы технические решения, направленные на устранение этого недостатка. Известны солнечные коллекторы, содержащие корпус, в котором размещены теплопоглощающая панель, над ней прозрачная теплоизоляция, внутри корпуса размещена теплоизоляция нижней и боковых сторон теплопоглощающей панели. Известна полезная модель патент RU №48038 F24J 2/46 U1 от 10.09.2005 г., где теплопоглощающая панель выполнена из непрозрачного или полупрозрачного теплостойкого и стойкого к ультрафиолетовому излучению полимерного материала в виде пластины с внутренними продольными каналами, внутри корпуса размещена теплоизоляция нижней и боковых сторон теплопоглощающей панели. Теплопоглощающая панель выполнена из непрозрачного или полупрозрачного теплостойкого и стойкого к ультрафиолету полимерного материала в виде плоской пластины с внутренними продольными каналами, причем теплопоглощающая панель с двух торцевых сторон, содержащих каналы, присоединена через продольные щели к коллекторным трубам с помощью клеевого или сварного соединения, с возможностью сквозной прокачки теплоносителя. Недостатком этого коллектора является то, что клеевой или сварной способ соединения поглощающей панели к коллекторным трубам в должной мере не обеспечивает необходимой  долговечности и надежности коллектора в условиях частых изменений температуры и давления, срок службы такого полимерного коллектора не превышает 10 лет, выполнение прозрачной теплоизоляции в варианте из сотового полимерного материала при резкой смене температуры и влажности приводит к образованию конденсата в сотовых каналах прозрачной теплоизоляции, что приводит к снижению светопропускания прозрачной теплоизоляции. Кроме того, в зимнее время прозрачная теплоизоляция под тяжестью снежного покрова может быть серьезно деформирована. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является солнечный коллектор, патент на полезную модель RU №48038 F24J 2/46 U1 от 10.09.2005. Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу создания эффективных солнечных коллекторов из современных полимерных конструкционных материалов, материалов с высоким теплопоглощением, самоприжимным профильным листом и термоинтерфейсом, что значительно уменьшает вес и снижает металлоемкость и стоимость вырабатываемой тепловой энергии солнечного коллектора, а его срок службы составляет от 25 до 30 лет. Поставленная техническая задача решается следующим образом. В заявленном солнечном коллекторе корпус выполнен из стеклопластика, в котором размещены входной и выходной квадратные распределительные коллекторы с квадратными соединительными патрубками, изготовленными из поливинилиденфторида (ПВДФ), (PVDF), обладающего высоким физико-механическими свойствами и надежно работающим в диапазоне температур от -40°С до +150°С, входной и выходной патрубки, также изготовленные из поливинилиденфторид (ПВДФ) и ввернутые в торцы входного и выходного квадратных распределительных коллекторов, теплопоглощающая панель трапецеидального профиля, выполненная из листа нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, прозрачная теплоизоляционная панель, выполненная из поликарбоната, покрытого просветляющим слоем с защитой от ультрафиолета и расположенная на расстоянии 3,5-4,0 мм над теплопоглощающей панелью трапецеидального профиля, квадратные трубопроводы, также выполненные из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, предназначенные для прокачки теплоносящей жидкости, причем квадратные трубопроводы уложены в выступы трапецеидального профильного листа снизу и во впадины трапецеидального профильного листа сверху поочередно. Известно, что плоские поверхности, собранные без натяга, имеют совместную площадь прилегания от 40% до 70%, что влияет на эффективность работы солнечного коллектора по передаче солнечной энергии теплоносящей жидкости, поэтому установлено ребро жесткости, которое расположено поперек трапецеидального профиля в середине теплопоглощающей панели таким образом, чтобы обеспечить постоянный прижим только квадратных трубопроводов, уложенных во впадины трапецеидального профильного листа сверху, поэтому нижняя кромка ребра жесткости имеет специальные выступы, причем ребро жесткости закреплено в прижимных опорах, установленных на внутренней стенке корпуса солнечного коллектора. Ребро жесткости также исполняет роль защиты прозрачной теплоизоляции солнечного коллектора от прогиба под тяжестью мокрого снега. Прижимное усилие, действующее на квадратные трубопроводы, уложенные во впадины трапецеидального профильного листа сверху, за счет упругих сил трапецеидального профильного листа, также прижимает выступы трапецеидального профильного листа к квадратным трубопроводам, уложенным в выступы трапецеидального профильного листа снизу. В условиях действующих прижимных сил обеспечение надежной передачи тепла солнечных лучей от профильного листа к теплоносителю в трубопроводах, уложенных в выступы трапецеидального профильного листа снизу, и к теплоносителю от квадратных трубопроводов, уложенных во впадины трапецеидального профильного листа сверху, достигается путем введения термоинтерфейса, изготовленного на основе кремнийорганической термопасты типа КПТ-8 или силитерм ЭП-14, в места соприкосновения трапецеидального профильного листа теплопоглощающей панели с квадратными трубопроводами, уложенными в выступы и впадины трапецеидального профильного листа. Повышение эффективности заявленного солнечного коллектора достигается также за счет покрытия открытых внешних поверхностей трапецеидального профильного листа и квадратных трубопроводов, уложенных во впадины трапецеидального профильного листа, высокоселективной черной краской; применения разделительной панели, выполненной из сотового поликарбоната, поверхности которой покрыты теплоизолирующей краской; использования смеси алюминиевой стружки с парафином, обладающей свойствами хорошей теплопередачи и теплоемкости, которой заполняется внутреннее пространство между боковыми стенками квадратных трубопроводов, теплопоглощающей панелью, разделительной панелью, выполненной из сотового поликарбоната, и стенками распределительных коллекторов; применения крышек, которые герметизируют полости, заполненные смесью алюминиевой стружки с парафином; использования теплоизоляционного материала, расположенного между разделительной панелью и нижней стенкой корпуса солнечного коллектора. Сущность предлагаемого технического решения поясняется на следующих рисунках. На фиг. 1 показан общий вид солнечного коллектора. На фиг. 2 показан разрез по А-А. На фиг. 3 представлен разрез Б-Б солнечного коллектора. Зона нагрева Н показана на Фиг. 4. Эффективный солнечный коллектор с теплопоглощающим самоприжимным профильным листом и термоинтерфейсом содержит следующие составные части: корпус 1 солнечного коллектора, выполненный из стеклопластика; входной 2 и выходной 3 патрубки для подачи теплоносящей жидкости 4; входной 5 и выходной 6 квадратные распределительные коллекторы; квадратные соединительные патрубки 7а входного 5 квадратного распределительного коллектора и квадратные соединительные патрубки 7б выходного 6 квадратного распределительного коллектора (фиг. 1), которые выполнены из поливинилиденфторида (ПВДФ), (PVDF), обладающего высокими физико-механическими свойствами и надежно работающего в диапазоне температур от -40°С до +150°С; прозрачная теплоизоляционная панель 8 (фиг. 2), выполненная из поликарбоната, покрытого просветляющим слоем с защитой от ультрафиолета; теплопоглощающая панель 9 трапецеидального профиля, выполненная из листа нержавеющей стали толщиной 0,5 мм; квадратные трубопроводы 10, выполненные из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, предназначенные для прокачки теплоносящей жидкости 4, причем квадратные трубопроводы 10 уложены поочередно в выступы 11 трапецеидального профильного листа снизу и во впадины 12 трапецеидального профильного листа сверху 9 (фиг. 2); квадратные трубопроводы 10, смонтированные с соединительными патрубками 7а и 7б входного 5 и выходного 6 квадратных распределительных коллекторов с помощью термоклея герметика (фиг. 3); ребро жесткости 13, которое расположено в середине и поперек теплопоглощающей панели 9 трапецеидального профиля таким образом, чтобы обеспечить постоянное прижимное усилие только квадратных трубопроводов 10, уложенных во впадины 12 трапецеидального профильного листа сверху, поэтому нижняя кромка ребра жесткости 13 имеет специальные выступы 14, причем ребро жесткости 13 закреплено в прижимных опорах 15, установленных на внутренней стенке корпуса 1 (фиг. 2); термоинтерфейс 16, изготовленный на основе кремнийорганической термопасты типа КПТ-8 или силитерм ЭП-14, введенный в места соприкосновения трапецеидального профильного листа теплопоглощающей панели 9 с квадратными трубопроводами 10, уложенными в выступы 11 и во впадины 12 трапецеидального профильного листа теплопоглощающей панели 9 (фиг. 2); разделительная панель 17, выполненная из сотового поликарбоната, поверхности которой покрыты теплоизолирующей краской; смесь 18 алюминиевой стружки с парафином, которой заполняется внутреннее пространство между боковыми стенками 19 квадратных трубопроводов 10, теплопоглощающей панелью 9, разделительной панелью 17 и стенками входного 5 и выходного 6 квадратных распределительных коллекторов; крышки 20, герметизирующие полости, заполненные смесью 18 алюминиевой стружки с парафином; теплоизолирующий материал 21, расположенный между разделительной панелью 17 и задней стенкой 22 корпуса 1 солнечного коллектора (фиг. 2); крепежные планки 23, расположенные на внутренних стенках корпуса 1, для крепления теплопоглощающей панели 9; планку Г-образной формы 24 для крепления прозрачной теплоизоляционной панели 8 к корпусу 1; высокоселективную черную краску (не обозначена), которой покрыты открытые внешние поверхности трапецеидального профильного листа теплопоглощающей панели 9 и квадратных трубопроводов 10, уложенных во впадины 12 трапецеидального профильного листа теплопоглощающей панели 9. Предлагаемый солнечный коллектор работает следующим образом. Теплоносящая жидкость через входной патрубок 2 подается во входной квадратный распределительный коллектор 5 (фиг. 1, фиг. 2), откуда теплоносящая жидкость поступает в квадратные соединительные патрубки 7а и далее в квадратные трубопроводы 10, которые находятся в зоне нагрева Н (фиг. 4), из зоны нагрева Н теплоносящая жидкость поступает через соединительные патрубки 76 в выходной квадратный распределительный коллектор 6, из которого - в выходной патрубок 3 к потребителям. Поток солнечной радиации падает на поверхность солнечного коллектора, ориентированного в южном направлении под углом наклона к горизонту равным углу северной широты местности, где установлен солнечный коллектора. Поток солнечных лучей проходит через прозрачную теплоизоляцию 8, выполненную из поликарбоната, покрытого просветляющим слоем с защитой от ультрафиолета, что уменьшает отражение и увеличивает светопропускание. Затем солнечные лучи попадают на теплопоглощающую панель 9 трапецеидального профиля и на квадратные трубопроводы 10 расположенные сверху во впадинах 12 теплопоглощающей панели 9 трапецеидального профиля, причем высокоселективная черная краска (не обозначена), которой покрыты открытые внешние поверхности трапецеидального профильного листа теплопоглощающей панели 9 и квадратных трубопроводов 10, уложенных во впадины 12 трапецеидального профильного листа теплопоглощающей панели 9, усиливает их нагрев. Одновременно нагревается смесь 18 алюминиевой стружки с парафином, которой заполняется внутреннее пространство между боковыми стенками 19 квадратных трубопроводов 10, теплопоглощающей панелью 9, разделительной панелью 17 и стенками входного 5 и выходного 6 квадратных распределительных коллекторов (фиг. 2). Эта смесь 18 обладает свойствами передавать за счет алюминиевой стружки и аккумулировать за счет парафина тепло солнечной радиации, что улучшает эффективность солнечного коллектора. Далее тепло передается через термоинтерфейс 16, обеспечивающий теплопередачу по всей поверхности прилегания стенок квадратных трубопроводов 10 с соприкасающимися поверхностями в выступах 11 и во впадинах 12 теплопоглощающей панелью 9 трапецеидального профиля. Разделительная панель 17, выполненная из сотового поликарбоната, препятствует потери тепла за счет теплоизолирующей краски, которой покрыты поверхности разделительной панели 17, а также за счет воздуха находящегося в сотах разделительной панели 17, так как воздух, является плохим проводником тепла, тем самым повышается эффективность работы солнечного коллектора. Дополнительно снижает теплопотери теплоизолирующий материал 21, расположенный между разделительной панелью 17 и задней стенкой 22 корпуса 1 солнечного коллектора (фиг. 2). Применение современных пластмассовых конструкционных материалов значительно уменьшают вес и снижают металлоемкость солнечного коллектора, а использование теплопоглощающей панели, выполненной из листа нержавеющей стали трапецеидального профиля толщиной 0,5 мм и квадратных трубопроводов, также выполненных из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, увеличивают срок его службы от 25 до 30 лет, при этом стоимость солнечного коллектора значительно снижена. Срок окупаемости заявленного солнечного коллектора для средней полосы России составляет не более 3-4 лет. Кроме того, сравнительные испытания солнечных коллекторов с трубопроводами, выполненными из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, и с медными трубками стандартной толщины 2 мм показали разницу температуры в одинаковых объемах в пределах 2°С-3°С, что составляет уровень статической ошибки. Известно, что стоимость нержавеющей стали значительно ниже, чем меди. Использование заявленного солнечного коллектора косвенно ограничивает выброс парниковых газов за счет замены традиционных источников энергии, использующих углеводородное топливо, что соответствует мировой тенденции развития безуглеродной энергетики.
Источники информации
1. Солнечный коллектор, патент США №3395614 от 3.02 1976 г.
2. Солнечный коллектор, патент на полезную модель №84093 U1 от 27.06.2009 г.
3. Солнечный коллектор, патент на полезную модель RU №48038 от 10.09.2005 г.