Трубчатая панель солнечного коллектора

Изобретение относится к теплоэнергетике и гелиотехнике и может использоваться как элемент солнечной энергетической установки, преобразующей и сохраняющей энергию излучения солнца в виде тепловой энергии для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в зданиях и сооружениях. Трубчатая панель солнечного коллектора включает герметичный корпус с теплообменным каналом, ряд прозрачных коаксиальных труб с абсорбирующим покрытием и пробками, полые тепловые стержни с испарителями, конденсаторами и теплопоглощающими пластинами, которые термически контактируют с тепловыми стержнями через слой теплопроводящего материала. Конструктивные особенности трубчатой панели заключаются в том, что теплопроводящий слой и абсорбирующее покрытие выполнены в виде объемного абсорбера из теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом и свойствами полупрозрачного черного тела, который заполняет все свободное пространство внутренних труб между тепловыми стержнями и теплопоглощающими пластинами, свернутыми в цилиндрическую пружину, у которой каждый виток выполнен в виде пояса Мебиуса, разрезанного и сдвинутого вдоль оси на ширину образующей его пластины для плавного перехода в соседний виток цилиндрической пружины. Изобретение должно повысить эффективность и надежность коллектора, исключить механические приводы, обеспечить совмещение функций абсорбера и теплоаккумулятора для равномерности нагрева теплоносителя в сложных условиях эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и гелиотехнике и может использоваться как элемент солнечной энергетической установки, преобразующей и сохраняющей энергию излучения солнца в виде тепловой энергии для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в зданиях и сооружениях.

Известна панель солнечного коллектора, содержащая корпус коллектора с теплообменным каналом, в который выходят тепловые стержни вакуумных тепловых труб (http://www.optonimpex.com/). Вакуумная тепловая труба представляет собой пустотелую круглую трубу с двойными стенками, сделанную из прозрачного сверхпрочного боросиликатного стекла, покрытого изнутри специальным селективным покрытием (A1-N/A1), которое обеспечивает поглощение тепла облучения с минимальным отражением.

В каждую вакуумированную трубу встроен медный тепловой стержень, который представляет собой полый медный цилиндр, запаянный с обоих концов с расширением в верхней части (конденсатором). Внутри прозрачной вакуумной трубы установлена плоская поглощающая пластина с алюминиевыми ребрами, соединенная с тепловым стержнем (_tubes_types.htm). Форма ребер такова, что площадь их контакта с тепловым стержнем максимальна. Такая конструкция обеспечивает максимальную передачу тепла к медному тепловому стержню, а потом жидкому теплоносителю. Медный тепловой стержень внутри полый, также вакуумированный, и содержит неорганическую нетоксичную жидкость, испаряющуюся даже при температуре около 26-30 градусов Цельсия. При нагревании жидкости образовавшийся пар поднимается к наконечнику (конденсатору) теплового стержня, где тепло отдается воде или антифризу, которая течет по теплообменному каналу корпуса коллектора. Отдав тепло, пар конденсируется и стекает обратно вниз по тепловому стержню, где процесс повторяется сначала.

Недостаток приведенной панели солнечного коллектора заключается в том, что поглощающая пластина неподвижна, т.е. поверхность пластины всегда направлена в одну сторону и не позволяет ориентировать ее под оптимальным углом к лучам солнца, а вследствие неплотного прилегания теплопоглощающей пластины к поверхности теплового стержня возможны тепловые потери.

Технология нанесения селективного слоя на поверхность тепловой трубы сложная и дорогостоящая.

Известна также панель солнечного коллектора, содержащая тепловую вакуумную трубу с тепловым стержнем «Heat Pipe» по патенту на полезную модель РФ №94316, которую по своим конструктивным признакам можно выбрать в качестве прототипа.

Конструктивные особенности панели солнечного коллектора заключаются в том, что тепловые стержни вместе с поглощающими пластинами выполнены с возможностью проворачивания вокруг своей оси при помощи привода, что дает возможность ориентировать одновременно все поверхности поглощающих пластин перпендикулярно лучам солнца для увеличения теплоотдачи, или же параллельно солнечным лучам для уменьшения теплоотдачи. Промежуток между тепловыми стержнями и поглощающими пластинами заполнен теплопередающей пастой КПТ-1, способствующей максимальной передаче тепла от поглощающих пластин к тепловым стержням. С целью повышения коэффициента поглощения и отражения излучения солнца, селективное покрытие нанесено на одну из поверхностей теплопоглощающей пластины. Противолежащая поверхность теплопоглощающей пластины снабжена теплоотражающим покрытием.

Недостатками данного прототипа являются конструктивная сложность, низкая надежность и эффективность.

Задачей изобретения является повышение эффективности, надежности и упрощение конструкции солнечного коллектора путем исключения механических приводов и совмещение функций абсорбера и теплоаккумулятора для равномерности нагрева его теплоносителя в сложных условиях эксплуатации.

Для достижения этой цели трубчатая панель солнечного коллектора, включающая герметичный корпус коллектора с теплообменным каналом, ряд прозрачных коаксиальных труб с абсорбирующим покрытием и пробками, полые тепловые стержни с испарителями, конденсаторами и теплопоглощающими пластинами, которые термически контактируют с тепловыми стержнями через слой теплопроводящего материала, согласно изобретению теплопроводящий слой и абсорбирующее покрытие выполнены в виде объемного абсорбера из теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом плавления и оптическими свойствами полупрозрачного черного тела, вроде зачерненного парафина, который заполняет все свободное пространство внутренних труб между тепловыми стержнями и теплопоглощающими пластинами, свернутыми в цилиндрическую пружину, у которой каждый виток выполнен в виде пояса Мебиуса, разрезанного и сдвинутого вдоль оси на ширину образующей его пластины для плавного перехода в соседний виток цилиндрической пружины.

При этом пробки коаксиальных труб имеют возможность монтажного поворота в герметичном корпусе коллектора и снабжены эксцентричным отверстием для фиксации тепловых стержней, а межтрубное пространство коаксиальных труб вакуумированного торцевой сваркой.

Упрощенная безвакуумная конструкция трубчатой панели имеет в межтрубном пространстве с воздухом гибкую пластиковую сетку, которая центрирует внутреннею трубу из термостойкого стекла относительно пробки и наружной трубы, изготовленной из прозрачного пластика или склеенной из прозрачной пластиковой пленки с концевой теплоизолирующей заглушкой, а охватывающая тепловые стержни цилиндрическая пружина имеет овальное сечение и навита из металлической проволоки или шинки прямоугольного сечения.

Такая конструкция трубчатой панели солнечного коллектора позволяет упростить изготовление и выполнить его основные функциональные элементы из одного материала с использованием простейших технологических приемов.

Конструкция трубчатой панели солнечного коллектора приведена на чертеже: где на Фиг. 1 показан вид снизу на поперечный разрез коаксиальных трубок, а на Фиг. 2 изображена трехмерная матмодель отрезка теплового стержня и теплопоглощающей цилиндрической пружины с мебиусными витками.

Конструкция включает наружную вакуумную трубу из боросиликатного стекла без селективного покрытия с такой же коаксиальной внутренней трубой 2, в полости которой установлен полый тепловой стержень 3 стандартного типа, частично заполненный легкокипящей жидкостью (испарителем) и снабженный торцевым конденсатором, расположенным в теплообменном канале герметичного корпуса 4 солнечного коллектора (Фиг. 1, конденсатор не показан). Торец вакуумной трубы закрыт пробкой 5, через которую проходит тепловой стержень 3, охваченный теплопоглощающей пластиной, свернутой в цилиндрическую пружину 6, у которой каждый виток выполнен в виде пояса Мебиуса, разрезанного и сдвинутого вдоль оси на ширину образующей его пластины для плавного перехода в соседний виток цилиндрической пружины 6. Все свободное пространство внутренних труб между тепловыми стержнями 3 и пружиной 6 заполнено объемным абсорбером из теплоаккумулирующего материала 7 с фазовым переходом плавления, например из парафина, с присадкой битума или мелкодисперсной сажи 5-10%, придающих парафину оптические свойства полупрозрачного черного тела, подобного смотровому стеклу сварщика.

Пробки 5 коаксиальных труб 1 и 2 имеют возможность монтажного поворота +40° и в герметичном корпусе коллектора 4 и снабжены эксцентричным отверстием для фиксации тепловых стержней 3 с пружинами 6, обращенных узкими ребрами витков Мебиуса в преимущественном направлении солнечного облучения (Фиг. 2; труба теплового стержня 3 изображена полупрозрачной).

Упрощенная безвакуумная конструкция трубчатой панели имеет в межтрубном пространстве с воздухом гибкую пластиковую сетку 8, которая центрирует внутреннею трубу 2 из термостойкого стекла относительно пробки 5 и наружной трубы 1, изготовленной из прозрачного ударопрочного пластика или склеенной из прозрачной пластиковой пленки с концевой теплоизолирующей заглушкой (на чертеже не показана). При этом охватывающая тепловые стержни 3 цилиндрическая пружина 6 может иметь овальное сечение для коаксиальной фиксации теплового стержня 3 и навиваться из круглой металлической проволоки или шинки прямоугольного сечения, например алюминиевой, которая обычно используется в силовых трансформаторах.

Предлагаемая панель солнечного коллектора работает следующим образом.

Панель солнечного коллектора в собранном виде устанавливают на скате крыши здания, ориентированной преимущественно в южном направлении. Если плоскость ската крыши не ориентирована, в направлении север-юг, то производят монтажную корректировку азимута вращением коаксиальных труб 1 и 2 вместе с пробками 5 до расчетного угла (Фиг. 1). В этом случае солнечное облучение проникает довольно глубоко между витками пружины 6, обеспечивая равномерный прогрев теплоаккумулирующего материала 7 даже при высоком коэффициенте отражения теплового стержня 3, так как отраженное им излучение должно опять пройти через светопоглощающий слой теплоаккумулирующего материала, прежде чем выйдет наружу с большим ослаблением, что и обеспечивает хороший КПД такого объемного абсорбера по сравнению с поверхностным селективным покрытием. Фактически это термический аналог микроволновой печи, тогда как таким же аналогом поверхностного абсорбера является обычная сковорода.

При нагревании тепло от объемного абсорбера из теплоаккумулирующего материала 7 через хорошо проводящие витки цилиндрической пружины 6 передается тепловым стержням 3. Находящаяся в тепловом стержне жидкость закипает и в парообразном состоянии поднимается к верхнему наконечнику (конденсатору) теплового стержня, где тепло отдается теплоносителю (например, воде или антифризу), который течет по теплообменному каналу в герметичном корпусе коллектора 4. Отдав тепло, пар конденсируется и стекает обратно вниз по тепловому стержню, где процесс повторяется сначала с высокой эффективность даже в упрощенном варианте конструкции, так как теплоаккумулирующий материал 7 оперативно сглаживает пульсации нагрева, обусловленные переменной облачностью и временной стагнацией теплоносителя.

Причем объединение функций абсорбера и теплоаккумулятора позволяет существенно упростить технологию изготовления коллектора при одновременном повышении его КПД за счет создания оригинальной пружинной конструкции теплопоглощающих пластин с витками Мебиуса и хорошими оптическими и теплотехническими свойствами при небольшом количестве исходных деталей и стандартной форме основных конструктивных элементов солнечного коллектора, что существенно облегчает модернизацию существующего производства солнечных коллекторов с вакуумными тепловыми трубами.

1. Трубчатая панель солнечного коллектора, включающая герметичный корпус коллектора с теплообменным каналом, ряд прозрачных коаксиальных труб с абсорбирующим покрытием и пробками, полые тепловые стержни с испарителями, конденсаторами и теплопоглощающими пластинами, которые термически контактируют с тепловыми стержнями через слой теплопроводящего материала, отличающаяся тем, что этот теплопроводящий слой и абсорбирующее покрытие выполнены в виде объемного абсорбера из теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом плавления и оптическими свойствами полупрозрачного черного тела, который заполняет все свободное пространство внутренних труб между тепловыми стержнями и теплопоглощающими пластинами, свернутыми в цилиндрическую пружину, у которой каждый виток выполнен в виде пояса Мебиуса, разрезанного и сдвинутого вдоль оси на ширину образующей его пластины для плавного перехода в соседний виток цилиндрической пружины.

2. Трубчатая панель по п. 1, отличающаяся тем, что пробки вакуумированных коаксиальных труб имеют возможность монтажного поворота в герметичном корпусе коллектора и снабжены эксцентричным отверстием для фиксации тепловых стержней, размещенных в асимметричных витках пояса Мебиуса.

3. Трубчатая панель по п. 1, отличающаяся тем, что в межтрубном пространстве с воздухом размещена гибкая пластиковая сетка, внутренняя труба изготовлена из термостойкого стекла, а наружная - из прозрачного ударопрочного пластика или склеена из прозрачной пластиковой пленки с концевой заглушкой.

4. Трубчатая панель по п. 1, отличающаяся тем, что охватывающая тепловые стержни цилиндрическая пружина имеет овальное сечение и навита из металлической проволоки или шинки прямоугольного сечения.