Коллектор-приемник оптического излучения
Коллектор-приемник относится к солнечным теплоустановкам и может быть использован для теплоснабжения, обеспечения горячей водой жилых и производственных помещений и других объектов, а также в различных технологических целях. Коллектор-приемник содержит корпус, абсорбер, выполненный с зеркальной поглощающей поверхностью в виде гофрированной пластины с криволинейным профилем, прозрачное ограждение и теплообменник. Прозрачное ограждение опирается на гребни абсорбера, пространство между которым и ограждением вакуумировано. Торцовые стенки корпуса соединены с торцовыми кромками абсорбера и листа прозрачного ограждения, а теплообменник образован тыльной поверхностью абсорбера и стенками корпуса. Прозрачное ограждение имеет со стороны абсорбера просветляющие слои, снижающие отражение падающих извне лучей от внутренней поверхности ограждения с сохранением полного внутреннего отражения от внешней поверхности ограждения для лучей, отраженных абсорбером в сторону ограждения, а на гребни и острые сгибы впадин абсорбера нанесено черное поглощающее покрытие. Обеспечивается создание коллектора с повышенным КПД, поглощающего как прямое солнечное, так и рассеянное или отраженное излучение и работающего с любым теплоносителем. 3 ил.
Изобретение относится к области энергетики, в частности к солнечным теплоустановкам, и может быть использовано для теплоснабжения, обеспечения горячей водой жилых и производственных помещений и других объектов, а также в различных технологических и бытовых целях, требующих экологически чистых условий.
Известен солнечный нагреватель, выполненный в виде коллектора, содержащего прозрачные каналы с селективным покрытием для поглощения солнечного излучения, расположенные в пеналах с общей средней стенкой, при этом каналы нижнего пенала снабжены гофрированными полосами, а каналы верхнего пенала заполнены водой для снижения тепловых потерь (RU 2172902 С2, 27.08.2001).
Недостатком известной конструкции является ее сложность при достигаемом небольшом эффекте в снижении общих тепловых потерь.
Известны вакуумированные стеклянные трубчатые коллекторы, также содержащие лучепоглощающие поверхности с селективным покрытием (например, Н.В.Харченко, "Индивидуальные солнечные установки", М., Энергоатомиздат, 1991, с.41, рис.17).
Из приведенных в данном источнике вариантов близким к заявляемому изобретению по своей сущности представляется коллектор, показанный на рис.17д. Основными элементами этого коллектора являются вакуумированные оболочки - трубы с боковыми отражателями и внутренним покрытием, пропускающим свет и задерживающим тепловое излучение, и расположенный за оболочками абсорбер с трубками теплообменника и теплоизоляцией.
Основным недостатком данной конструкции является невысокий оптический КПД из-за отражения значительной части лучей, падающих под малым углом к поверхности оболочек или под большим углом к зеркальной поверхности боковых полос, тем более, что такие коллекторы не рассчитаны на работу со слежением за солнцем (см. табл.2 на с.30), а также малая площадь теплоотвода от абсорбера к теплоносителю.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения следует считать известный коллектор-приемник оптического излучения, содержащий корпус, абсорбер, прозрачное ограждение и теплообменник. В нем абсорбер выполнен с зеркальной поглощающей поверхностью в вице гофрированной пластины с криволинейным профилем, прозрачное ограждение опирается на гребни абсорбера, пространство между которым и ограждением герметизировано, торцовые стенки корпуса соединены с торцовыми кромками абсорбера и листа прозрачного ограждения, а теплообменник образован тыльной поверхностью абсорбера и стенками корпуса (СН 595599 А, 15.02.1978).
К недостаткам такого коллектора следует отнести значительные теплопотери через газовую среду между абсорбером и ограждением, а также недостаточную способность поглощения лучей с большим углом падения на поверхность прозрачного ограждения из-за интенсивного их отражения во внешнее пространство внутренней поверхностью ограждения. А такие лучи составляют большую часть не только рассеянного, но и прямого солнечного света при отсутствии устройств автоматической ориентации коллектора.
Целью изобретения является создание конструкции недорогих коллекторов, поглощающих как прямое солнечное, так и рассеянное или отраженное, например, снегом, излучение с максимально достижимым КПД, работающих с любым теплоносителем.
Поставленная цель достигается тем, что в коллекторе-приемнике оптического излучения (КПОИ), содержащем корпус, абсорбер, прозрачное ограждение и теплообменник, причем абсорбер выполнен с зеркальной поглощающей поверхностью в виде гофрированной пластины с криволинейным профилем, прозрачное ограждение опирается на гребни абсорбера, торцевые стенки корпуса соединены с торцевыми кромками абсорбера и листа прозрачного ограждения, а теплообменник образован тыльной поверхностью абсорбера и стенками корпуса, согласно изобретению, пространство между абсорбером и ограждением вакуумировано, прозрачное ограждение имеет со стороны абсорбера слои с убывающим в направлении последнего показателем преломления в сравнении с показателем преломления материала ограждения, а внутренняя поверхность торцевых стенок между абсорбером и ограждением выполнена зеркальной.
Вакуумирование пространства между абсорбером и ограждением уменьшает тепловые потери через теплопроводность газовой среды в этом пространстве.
Наличие на прозрачном ограждении со стороны абсорбера слоев с убывающим показателем преломления снижает отражение тыльной поверхностью ограждения падающих извне под небольшим углом к нему лучей при сохранении эффекта полного внутреннего отражения внешней поверхностью ограждения для таких лучей, но уже отраженных абсорбером в сторону ограждения.
Выполнение зеркальными внутренних поверхностей торцевых стенок между абсорбером и ограждением обеспечивает поглощение абсорбером лучевых потоков с большим их отклонением от нормали к гребням гофрированной поверхности абсорбера.
На фиг.1 изображен общий вид КПОИ; на фиг.2 - пример использования КПОИ в нагревательной установке; на фиг.3 - ход лучей, падающих на активную поверхность коллектора.
Коллектор-приемник оптического излучения состоит из корпуса 1, прозрачного ограждения 2, установленного с уплотнением в его боковых пазах, зеркального абсорбера 3, торцевых крышек 4 с уплотнениями 5, а также патрубков 6 ввода-вывода теплоносителя и теплоизоляции 7; на зачерненных гребнях абсорбера 3 под ограждением 2 установлены прозрачные эластичные накладки 5 в форме, например, продольно разрезанных трубок.
При использовании КПОИ в емкостных нагревательных установках стенками их резервуаров прямоугольной либо иной формы в плане может служить совокупность тыльных стенок коллекторов. В этом случае вместо патрубков ввода-вывода теплоносителя в верхней и нижней части стенок имеется ряд отверстий 9, а необходимость в теплоизоляции стенок отпадает. Сверху резервуар может быть закрытым как крышкой 10, так и коллекторами. В последнем случае эти коллекторы оснащены известными устройствами теплообмена с нагреваемой средой, например, радиаторами.
Поверхность прозрачного ограждения 2 (остекления), обращенная в сторону абсорбера 3, покрыта пленочными слоями по известной технологии "просветления" оптических линз путем нанесения нескольких прозрачных пленок (см., например, Политехнический словарь, М., "Советская энциклопедия", 1989, с.422, ст. "Просветленный объектив"). При этом показатель преломления пленок меньше, чем у материала ограждения и убывает для каждого слоя в направлении абсорбера.
Абсорбер 3 выполнен, например, методом гибки листа с предварительной или последующей обработкой одной его стороны до зеркального вида и покрытием на этой стороне сгибов и гребней черным хромом.
Вполне приемлемая форма профиля стороны гофра имеет направляющую линию:
где z - координата, направленная по оси симметрии двух смежных профилей;
f0 - максимальный прогиб, зависящий от усилия деформации;
l - высота гофров.
Такая форма может быть получена сгибом листа в плотную "гармошку" с последующим растяжением за прямолинейные кромки (Г.С.Писаренко, А.П.Яковлев, В.В.Матвеев, "Справочник по сопротивлению материалов", Киев, "Наукова думка", 1988, с.368, табл.32) и, таким образом, отвечает требованиям технологичности производства.
В данном случае максимальный прогиб f0 составляет около 0,1 от высоты гофров, таким образом, шаг гребней абсорбера не превышает 1/4 его глубины.
Коллектор-приемник оптического излучения работает следующим образом.
Весь поток оптического излучения, падающего на активную поверхность коллектора, можно условно разделить на три группы лучей: / - поток лучей, падающих под большим углом к поверхности прозрачного ограждения 2 и поглощаемых практически полностью в процессе многочисленных отражений в "световой ловушке" сходящихся смежных криволинейных поверхностей абсорбера, а также его зачерненными участками;
// - поток лучей с большим отклонением от нормали к ограждению 2, которые проходят с малыми потерями через его внешнюю и внутреннюю - "просветленную" - поверхность (здесь эффект "просветления" обусловлен отсутствием границы раздела оптических сред с резким спадом показателя преломления, интенсивно отражающей лучи с большим углом падения), далее часть их - не наклоненная к гребням - после немногочисленных отражений от поверхности абсорбера 3 возвращается к прозрачному ограждению 2 под малым к нему углом, обеспечивающим их полное внутреннее отражение от внешней - "не просветленной" - поверхности ограждения с возвратом в зону поглощения абсорбером 3. Лучи же, имеющие значительный наклон к гребням абсорбера (при вертикальных гребнях это лучи сверху и снизу), сразу или после отражений от поверхности последнего могут попадать на торцевые стенки коллектора и, отразившись от их зеркальных поверхностей, продолжить свой ход. Таким образом, зеркала торцов создают эффект бесконечности размера абсорбера в направлении гребней. В любом случае основной поток лучей этой группы так же поглощается коллектором;
/// - относительно небольшой поток лучей, попадающих на прозрачные накладки 8, установленные на зачерненных гребнях абсорбера 3. Часть их после преломления на выходе из накладок 8 поглощается абсорбером, другая часть лучей попадает на зачерненную поверхность гребней с селективным покрытием черным хромом, поглощающим коротковолновое и задерживающим инфракрасное излучение, и тоже поглощается.
Таким образом коллектор активно поглощает не менее 85% падающего на его прозрачное ограждение потока излучения с незначительными тепловыми потерями, в результате чего эффективность КПОИ при относительной простоте его конструкции превосходит пределы, достижимые известными аналогами, что также может сделать перспективной его использование при передаче тепловой энергии оптическим путем с применением - технически уже выполнимых - передающих теплоэнергетических установок узконаправленного излучения.
Тепловая установка с КПОИ рассматривается как пример их использования для нагрева жидкостей, в частности, воды, для аккумулирования тепла. Аналогичная конструкция может работать с газообразной средой, когда резервуар используется в целях нагрева, сушки различных материалов и для других технологических и бытовых нужд. В этом случае доступ внутрь резервуара обеспечивается через люки в стенке, полу или крышке 10, которая может быть и съемной. При работе тепловой установки в этом режиме теплоноситель циркулирует через отверстия 9 под действием конвекции либо принудительно, например, нагнетанием воздуха в общий коллекторный канал нижнего ряда отверстий 9 (на фиг.2 не показан).
В тепловой установке с КПОИ еще в большей мере упрощается конструкция по сравнению с известными аналогами нагревательных установок, снижаются тепловые потери, а также сводятся к минимуму общие капитальные и эксплуатационные затраты на отопление, горячее водоснабжение и в случаях иного применения данного изобретения.
Коллектор-приемник оптического излучения, содержащий корпус, абсорбер, прозрачное ограждение и теплообменник, причем абсорбер выполнен с зеркальной поглощающей поверхностью в виде гофрированной пластины с криволинейным профилем, прозрачное ограждение опирается на гребни абсорбера, пространство между которым и ограждением герметизировано, торцовые стенки корпуса соединены с торцовыми кромками абсорбера и листа прозрачного ограждения, а теплообменник образован тыльной поверхностью абсорбера и стенками корпуса, отличающийся тем, что пространство между абсорбером и ограждением вакуумировано, прозрачное ограждение имеет со стороны абсорбера просветляющие слои, снижающие отражение падающих извне лучей от внутренней поверхности ограждения с сохранением полного внутреннего отражения от внешней поверхности ограждения для лучей, отраженных абсорбером в сторону ограждения, а на гребни и острые сгибы впадин абсорбера нанесено черное поглощающее покрытие.
