Полімерний сонячний колектор

Винахід відноситься до геліотехніки, конкретно до сонячних колекторів, і може бути використаний в системах сонячного опалення і гарячого водопостачання. Відомий сонячний колектор, що представляє собою сандвіч із трьох пластин: двох поліпропіленових і однією полікарбонатної, котрий виробляється болгарською фірмою ГелиоПласт [Державний регістр Болгарії МПК 109186/13.06.2005]. Недоліком відомого сонячного колектора є нагрівання теплоносія в поліпропіленовому абсорбері не вище 95°С. А при відсутності циркуляції теплоносія абсорбер може нагріватися до 120°С. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, прийнятим як прототип, є сонячний колектор, що містить абсорбер, виконаний з полікарбонатного скла з включеними в нього каналами для циркуляції теплоносія і постачений селективним покриттям, що поглинає сонячне випромінювання, і теплоізоляцію з полімерного матеріалу, встановлену під абсорбером. [Заявка ФРН №4120125 від 7.01.93p., кл. F24J2/00]. Недоліком цього сонячного колектора є висока вартість виготовлення і значна вага, обумовлені тим, що абсорбуючий шар, виконаний з полікарбонатного скла, з'єднується з теплоізоляційним шаром з полімерного пеноматеріалу за допомогою шару з цементно-полімерно-дісперсіонного цементу. Задачею винаходу є створення сонячного колектора з полімерного матеріалу, конструкція якого, при збереженні високої ефективності перетворення сонячного випромінювання в теплову енергію теплоносія, не вимагає застосування складної технології виготовлення і дорогих матеріалів, що забезпечує зниження вартості систем теплопостачання. Поставлена задача зважується тим, що в сонячному колекторі, виготовленому з полікарбонатного матеріалу й утримуючому абсорбер із включеними в нього каналами для циркуляції теплоносія і теплоізоляцію для зменшення теплових утрат, відповідно до винаходу, канали абсорбера і теплоізоляції утворять багатоярусну стр уктур у регулярного типу, при цьому канали верхнього ярусу (прозорої ізоляції), виготовлені з прозорих полікарбонатних плит з високою світлопроникністю, і канали нижнього ярусу (теплоізоляції) заповнені повітрям чи іншим середовищем з низькою теплопровідністю, а канали середнього ярусу (абсорбера), заповнені теплоносієм, постачені чорним (чи селективним) покриттям або виготовлені з матеріалу з низькою світлопроникністю. Конструкція сонячного колектора у виді багатоярусної структури регулярного типу з застосуванням полікарбонатного матеріалу дозволяє реалізувати дешеву те хнологію з'єднання полімерних матеріалів, за допомогою якої герметизуються канали верхнього і нижнього ярусів, при цьому середній ярус (абсорбер) підключається до гідравлічних колекторів входу і виходу теплоносія, виготовленим також з полімерних матеріалів. Таким чином, знижується вартість сонячного колектора. Для виготовлення сонячних колекторів доцільно використовувати полікарбонатні структурні панелі, що володіють гарними теплоізоляційними властивостями, високою міцністю і світлопроникністю для них характерна легкість (до 3 кг/м 2), висока стійкість до погодних умов (діапазон температури від -40про 3 до +120про 3) і деградації під дією сонячного випромінювання, вогнестійкість, великий термін експлуатації (25 років). Товщини полікарбонатних плит прозорого покриття (а), абсорбера (b) і величина повітряного зазору (с) зв'язані залежністю: с=2,5(a+b) (1) Сумарний коефіцієнт теплових утрат сонячного колектора визначається формулою [Daffi, J.A., Beckman W.A., 1974, Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, N.Y. - London - Sydney - Toronto]: U= 1 p a k-2 + a1-2 1 + 1 1 ak -3 + a p-3 2 2 + 1 a k - 0 + ap -0 3 3 + l из d1-4 (2) де a k1-2=1.14(T1-T2) 0.281/ d1-20.07, a p 1-2=s´(Τ 1+Τ2)´(Τ 12+Τ22)/(1/ε 1+1/ε2-1) - коефіцієнти тепловіддачі конвекцією і a k2-3= lв d2 -3 радіацією між абсорбером (2) і прозорим покриттям (1) у повітряному зазорі (5); - термічний опір теплоізоляції (3); a р2-3=s´(Τ 2+Τ3)´(Τ 22+Τ32)/(1/ε 2+1/ε3-1), a k3-0=5.7Вт/(м 2К) - коефіцієнти тепловіддачі конвекцією і радіацією в каналах прозорого покриття 1; a p3-0= ε3´s´(Τ3+Τ 0)´(Τ3 2+ Τ0 2), a p3-0=ε3 ´s´(Τ3+Το)´(Т 32+Т 02) коефіцієнти тепловіддачі конвекцією і радіацією між прозорим покриттям (1) і навколишнім середовищем. Результати розрахунків по рівнянню (2) приведені на Фіг.6. Тут η - це коефіцієнт корисної дії сонячного колектора, що виражається формулою: η=Q/IF (3) де: Q - корисна потужність сонячного випромінювання, передана теплоносію; І - інтенсивність сонячної радіації; F - площа абсорбера (теплоприймача) сонячного колектора. Величина «а» - товщина прозорого покриття — відповідає панелям з мінімальною товщиною і з максимальною світлопропускною здатністю. Величина «в» розраховується таким чином, щоб гідравлічний опір внутрішні х каналів абсорбера було не більше рушійної сили природної тяги через канали абсорбера. Розрахунок величини «с» визначається двома основними тенденціями: - збільшення «с» понад 2,5 приводить до збільшення сумарного коефіцієнта теплових утрат UΣ; - при збільшенні «с» понад 2,5 одночасно різко зростає питома вартість сонячного колектора. Відповідно до результатів розрахунків по рівнянню (2) приведеними на фіг.6 оптимальна величина с визначається співвідношенням (1). Принципова схема сонячного колектора триярусної структури представлена на Фіг.1. Сонячний колектор, виконаний цілком з полімерних матеріалів, містить абсорбер (2) із багатоканальної структурою регулярного типу, виготовлений з полікарбонату. При цьому, верхній ярус (1) і нижній ярус (3) цієї конструкції сонячного колектора виготовлені з полікарбонату з високою світлопроникністю, заповнені повітрям і герметизовані. Корпус (4), виконаний також з полімерного матеріалу, використовується для забезпечення герметичності каналів від навколишнього середовища, а також для підвищення твердості конструкції сонячного колектора. Абсорбер (2), виконаний з полікарбонату з низькою світлопроникністю, заповнений теплоносієм і підключений з одного торця до гідравлічного колектору для введення теплоносія, а з іншого торця - до гідравлічного колектору для виводу теплоносія. Повітряний зазор (5) і плита (3) служать для зменшення теплових втрат у навколишнє середовище. По п.2 формули винаходу на Фіг.2 (а, б, в) представлений полімерний сонячний колектор, який виконаний багатоярусним і багатоканальним у кожнім ярусі з полікарбонатних плит. На Фіг.2а полімерний сонячний колектор виконаний з подвоєною кількістю прозорого покриття (1), що приводить до зниження величини сумарного коефіцієнта втрат тепла сонячним колектором. На Фіг. 2б полімерний сонячний колектор виконаний з подвоєною кількістю ярусів в абсорбері (теплоприймача), що дозволяє при незмінній площі колектора збільшити час контакту (нагрівання) теплоносія із сонячною енергією, що надходить на сонячний колектор. На Фіг.2в полімерний сонячний колектор виконаний з подвоєною кількістю ярусів у теплоізоляції, що знижує втрати тепла з боку «дна» сонячного колектора. По п.3 формули винаходу на Фіг.3 представлений полімерний сонячний колектор з убудованим акумулятором. Теплоносій надходить в абсорбер (2), нагрівається і повертається в багатошарову полімерну плиту (6), що знаходиться під абсорбером (2) і має функцію акумулятора. Додаткові можливості пропонованого сонячного колектора полягають у використанні його модифікації в якості теплоакумулятора, для чого між ярусами абсорбера і теплоізоляції розміщають додаткові яруси з укрупненим розміром каналів, загальний обсяг яких відповідає необхідному розрахунковому запасу теплої води. Для підвищення ефективності такого акумулятору (зниження тепловтрат) внутрішні канали об'єднані в центральну порожнину, з'єднану з виходом гарячої води з абсорбера. А зовнішні канали об'єднані в зовнішню порожнину, з'єднану у верхній частині з центральною порожниною теплоакумулятора, а в нижній частині з патрубком подачі гарячої води споживачу. По п.4 формули винаходу полімерний сонячний колектор представлений на Фіг.4 (а, б). На Фіг.4а розмір каналів (3) у кожнім ярусі теплоакумулятора різний, що дозволяє регулювати режим акумуляції тепла в часі. На Фіг.4б розмір сусідніх каналів (3) у кожнім ярусі теплоакумулятора різний, що дозволяє знизити втрати тепла теплоакумулятором. По п.5 формули винаходу полімерний сонячний колектор представлений на Фіг.5. така конструкція сонячного колектора дозволяє знизити тепловитрати у внутрішній порожнині теплоакумулятора за рахунок його екранування зовнішньою порожниною, де температура теплоносія нижче і це забезпечує менший перепад температур з навколишнім середовищем. Сонячна енергія проходить прозоре покриття (1), потрапляє на поверхню абсорбера (2) і переходить у вигляді теплової енергії до теплоносія. Теплоносій (8) входить в абсорбер колектора (2), нагрівається і подається (10) у внутрішній обсяг акумулятора (7), звідки гаряча вода (9) потрапляє у верхню частину каналів теплоакумулятора зовнішнього обсягу (6) і з нижньої частини зовнішнього обсягу теплоакумулятора вода (11) надходить споживачу. Сонячний колектор працює за таким способом (Фіг.1). Сонячні промені, потрапляючи на сонячний колектор, проходять світлопрозоре огородження, яке виконане у виді верхнього ярусу (1) з полікарбонату з високої світлопрозорістю, і далі поглинаються поверхнею абсорбера (2), виготовленого з полікарбонату з низькою світлопроникністю. У результаті поглинання енергії сонячного випромінювання світлопоглинаючої поверхнею середнього ярусу абсорбера (2), теплоносій (8), що надходить з гідравлічного колектора в канали цього ярусу нагрівається і виводиться з абсорбера через другий гідравлічний колектор (10). Прозора ізоляція (верхня панель 1) поглинає велику частину довго хвильового випромінювання від поглинаючої поверхні абсорбера, що забезпечує «парниковий ефект» у повітряних порожнинах верхнього ярусу і знижує тепловтрати в навколишнє середовище. (Прозорість матеріалу стосовно сонячної радіації складає 0,77, а стосовно інфрачервоного випромінювання - менш 0,01.) Нижню частину теплоізоляції (3) доцільно постачити покриттям з високою відбивною здатністю для зменшення теплових утрат. Канали верхнього і нижнього ярусів розташовані перпендикулярно каналам абсорбера, що приводить до придушення природної конвекції і, отже, до зменшення теплових утрат. Конструкція пропонованого сонячного колектора дозволяє застосовувати недорогу технологію виготовлення абсорбера, колекторів роздачі і збору теплоносія і каркаса методом екструзії з полікарбонату з наступним зварюванням при зборці. Висока теплова ефективність пропонованого сонячного колектора при невеликих витратах на його виготовлення дозволяє істотно знизити вартість теплопостачання для будь-якої категорії користувачів.