Многофункциональный солнечный коллектор-аккумулятор

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано, в частности, в устройствах, преобразующих электромагнитное излучения солнца в тепловую энергию для ее аккумулирования и нагрева теплоносителя.

Известен многофункциональный солнечный коллектор, который содержит монолитный корпус из теплоизоляционного материала, прозрачное ограждение и абсорбер, расположенный в корпусе. Корпус выполнен П-образным и с обеих его торцевых сторон установлены П-образные профили. Прозрачное ограждение размещено на боковых выступах корпуса и торцевых П-образных профилях. Корпус и прозрачное ограждение с боковых сторон охвачены внешними П-образными профилями, а с торцевых сторон - торцевыми крышками, образующими с торцевыми П-образными профилями впускную и выпускную воздушные камеры, сообщенные с внутренним объемом корпуса и внешними воздуховодами отверстиями в П-образном профиле. Абсорбер дополнительно снабжен продольными трубками для протекания жидкого теплоносителя, соединенными входным и выходным патрубками, размещенными на его тыльной стороне (см. RU 2388974, МПК F24J 2/04, 2009 г. Выбран в качестве прототипа).

Однако известный солнечный коллектор имеет низкую эффективность работы в вечерние и утренние часы, когда единственная теплоприемная панель частично затеняется непрозрачным каркасом боковых стенок рамной конструкции, а коэффициент отражения солнечных лучей плоского стекла значительно увеличивается при больших углах падения в соответствии с формулой отражения Френеля. Кроме того, процесс его изготовления достаточно сложен и трудоемок. Известный солнечный коллектор позволяет осуществлять нагрев только жидкостного теплоносителя с небольшим временем хранения тепла.

Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективной конструкции с высоким КПД при обеспечении минимальной себестоимости и высокой надежности при преобразовании солнечной энергии в тепло.

Технический результат - повышение температуры преобразования солнечного излучения и коэффициента полезного действия (КПД) за счет интенсификации теплообмена и оперативной аккумуляции тепла по месту его получения.

Технический результат достигается заявляемым многофункциональным солнечным коллектором-аккумулятором.

Коллектор содержит корпус из теплоизолирующего материала, с боковых сторон охваченный внешними П-образными профилями, абсорбер с трубками теплообменника и присоединительными патрубками для протекания жидкого теплоносителя, а также торцевое прозрачное ограждение с защитными крышками. В отличие от прототипа трубки теплоносителя обложены герметичными пакетами из эластичной прозрачной пленки, заполненными объемным абсорбером из теплоаккумулирующего материала, обладающего фазовым переходом плавления и оптическими свойствами серого тела, с обеих торцевых сторон этих пакетов закреплены фиксирующие решетки, прижатые двумя съемными пластинами прозрачного ограждения, прикрытыми откидными защитными крышками с внутренней зеркальной поверхностью, которые при помощи съемных петель установлены на вышеупомянутых П-образных профилях прямоугольной рамы, снабженной защелками и элементами крепления зеркальных концентраторов, образованных из открытых защитных крышек. Также защитные крышки при помощи крепежных стержней в открытом положении установлены на петлях под углом 45-50 градусов относительно плоскости симметрии коллектора, которая ориентирована параллельно плоскости эклиптики. Также в открытом рабочем положении в плоскости поворота защитных крышек крепежные стержни, прозрачное ограждение и крышки с каждой стороны образуют треугольную конфигурацию с обеспечением жесткого взаиморасположения. Теплоаккумулирующий материал с фазовым переходом плавления может состоять из стеарина с добавлением черного жирорастворимого красителя типа гудрона или свечного F черный Black С.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен частичный поперечный разрез предлагаемого коллектора. На фиг. 2 - походный вариант установки коллектора. На фиг. 3 - вариант его стационарной установки.

Предлагаемый многофункциональный солнечный коллектор (фиг. 1) содержит монолитный корпус 1 из теплоизоляционного материала, пластины прозрачного ограждения 2 и объемный абсорбер 3 с трубками теплообменника 4 и присоединительными патрубками 5 для протекания жидкого теплоносителя.

Корпус 1 выполнен из вспененного материала, например пенополиуретана или пеностекла, в форме прямоугольного контура, охваченного несущей рамой 6 П-образного профиля из металла или стеклопластика. В корпусе 1 с обеих его торцевых сторон установлены фиксирующие решетки 7, изготовленные из композитной сетки или просечно-вытяжного листа.

Прозрачное ограждение 2, например, из сотового поликарбоната размещено поверх решеток 7 на боковых защелках П-образных профилей рамы 6 (вспомогательные защелки и крепежные элементы на чертеже не показаны).

Рама 6 и прозрачное ограждение 2 с торцевых сторон охвачены двумя защитными крышками 8, выполненными из металла или стеклопластика с зеркальной внутренней поверхностью, образованной, например, блестящей самоклеющейся пленкой. Абсорбер 3 изготовлен из теплоаккумулирующего материала, обладающего фазовым переходом плавления и оптическими свойствами «серого тела» и расфасован по герметичным термостойким пакетам 9 из эластичной прозрачной пленки, например тетрафторопласта, которыми обложены трубки теплообменника еще в расплавленном состоянии теплоаккумулирующего материала, в качестве которого может использоваться стеарин с химически однородным жирорастворимым красителем, в частности гудроном или свечным F черный Black С в количестве 1-3% объема. Материал предложен по результатам проведения натурных экспериментов.

Прозрачное ограждение 2 оказывается при этом зажатым между внешними П-образными профилями рамы 6, крышками 8 и фиксирующими решетками 7, свободные ячейки которых компенсируют тепловые расширения пакетов 9.

Такая сотовая конструкция надежно защищает внутренний объем от попадания в него влаги и пыли из окружающей среды, даже с открытыми крышками, так как пакетное секционирование обеспечивает антивандальную стойкость и работоспособность в случае локального повреждения прозрачного ограждения 2 и одного из пакетов 9. Торцевые П-образные профили рамы 6 снабжены съемными петлями 10, транспортными ручками 11, а в рабочем положении служат опорой для стержневых элементов крепления 12, которые обеспечивают различные варианты установки предлагаемого коллектора (фиг. 2, 3).

При этом абсорбер 3 должен обладать оптическими свойствами «серого тела», то есть при толщине слоя 8-10 мм быть частично прозрачным как защитное стекло сварщика, поглощать солнечное излучение практически по всему объему теплоаккумулирующего материала и давать мощность Е инфракрасного переизлучения гораздо ниже, чем «абсолютно черное тело» с такой же температурой поверхности и длиной волны максимума - λ_max. Предложенный материал обеспечивает необходимые оптические свойства как до, так и после фазового перехода.

Описываемый коллектор работает следующим образом.

В походном варианте (фиг. 2) открытые и закрепленные на стержневых элементах 12 защитные крышки 8 своей зеркальной внутренней поверхностью отражают солнечный свет на обе торцевые пластины прозрачного ограждения 2, параллельные плоскости эклиптики, что обеспечивает 2-х кратное увеличение мощности солнечного облучения по сравнению с односторонней ориентацией на солнечный свет у прототипа. При помощи крепежных стержней 12 зеркальные поверхности защитных крышек 8 в открытом положении установлены на петлях под углом 45-50 градусов относительно плоскости симметрии коллектора, параллельной плоскости эклиптики. Благодаря этому солнечные лучи, проходя через прозрачное ограждение 2 и свободные ячейки фиксирующих решеток 7, проникают глубоко вглубь абсорбера 3 и поглощаются им, в результате чего весь объем абсорбера 3 равномерно нагревается, а не только слои, близкие к поверхности. При этом через присоединительные патрубки 5 в коллектор поступает жидкий теплоноситель, который, проходя по трубкам теплообменника 4, размещенным в плоскости симметрии коллектора О-О', отводит тепло от абсорбера 3 и направляется во внешнюю емкость (не показана), где полученное тепло утилизируется одним из известных способов. Например, в роли утилизирующей емкости может быть использован бак, из которого тепло отводится потребителям горячей воды, а охлажденная вода возвращается в коллектор. Другим примером емкости-утилизатора может служить плавательный бассейн, где температура обычно поддерживается на довольно высоком уровне.

Предлагаемый коллектор без жидкого теплоносителя может использоваться ночью и для нагрева воздуха в палатке или ином помещении после предварительного разогрева под солнечным светом и расплавления теплоаккумулирующего вещества герметичных пакетов 9 в дневное время и последующего съема с петель защитных крышек 8 и панелей прозрачного ограждения 2, чтобы они не препятствовали конвекционному охлаждению теплоаккумулирующего материала.

В стационарном варианте (фиг. 3) предлагаемый коллектор может обеспечить и 3-кратное увеличении мощности солнечного излучения за счет одновременного направления отраженного плоскими зеркальными крышками 8 солнечного света на заднюю торцевую сторону коллектора, у которого передняя сторона находится под прямым солнечным излучением, благодаря соответствующей конфигурации крепления стержневых элементов 12 в форме геометрически жесткого набора треугольников.

Поэтому энергетическая эффективность такого коллектора получается как у более дорогих и сложных трубчато-вакуумных коллекторов с параболическими зеркальными концентратами, так как теплоаккумулирующий материал в пакетах 9 оперативно сглаживает пульсации нагрева, обусловленные переменной облачностью и временной стагнацией теплоносителя, а объединение функций абсорбера и теплоаккумулятора позволяет существенно упростить технологию изготовления коллектора при одновременном повышении его надежности и К.П.Д с небольшим количеством исходных деталей и удобной транспортабельной формой, что существенно облегчает модернизацию существующего производства плоских солнечных коллекторов.