Сфероїдний сонячний колектор

1. Сфероїдний сонячний колектор, що містить поглинальний елемент із зовнішньою прозорою трубчастою оболонкою й розміщеними в ній співвісним трубчастим теплоприймачем з підвідним і відвідним патрубками для рідкого теплоносія, який відрізняється тим, що теплоприймач виконаний з металевої трубки круглого перерізу, навитим у формі сфери по гвинтовій лінії з постійним кроком навивки, що перевищує подвійний діаметр трубки. 2. Колектор за пунктом 1, який відрізняється тим, що геометрична форма теплоприймача описана наступними залежностями координат точки кривої від параметра  : Винахід належить до геліотехнічних пристроїв, що використовують поновлюване джерело - променисту сонячну енергію. Зокрема, це сонячні колектори, які безпосередньо перетворюють променисту енергію сонця в теплову, придатну для практичного використання. Сьогодні у світі повсюдно використовують плоскі сонячні колектори. Як правило, це стаціонарно встановлені колектори, орієнтовані до півдня з уклоном до обрію, що залежить від широти місцевості, на якій відбувається їхня установка. Принциповим недоліком всіх існуючих конструкцій плоских колекторів є необхідність мати в їхньому складі спеціальні механізми, що стежать за траєкторією руху сонця як по висоті, так і по азимуту протягом усього світлового дня від сходу до заходу. Крім того, що такі механізми досить складні, вони для свого функціонування потребують додаткову енергію для їхнього приводу. Відомий сонячний колектор (патент РФ № 2177119, F24J2/24, опубл. 20.12.2001), що містить обичайку у вигляді прямого циліндра, світлопропускна частина якої виконана із прозорого матеріалу, дві торцеві кришки, установлені на торцях обичайки, теплоприймальну панель, установлену усередині обичайки. При цьому геометрична форма двох крайніх ділянок твірної світлопропускної частини обичайки виконана по експонентній залежності. Недоліками такого колектора є складність і дорожнеча технології виготовлення геометрії ділянок світлопропускної частини по експоненту, що вимагає спеціального різального інструмента та спеціального верстатного устаткування. Відомий пристрій для нагрівання рідини сонячною енергією (патент РФ № 2379597, F24J2/08, опубл. 20.01.2010), що містить станину з поворотною штангою, установленою в кульовому шарнірі, протяжну лінзу, яка має овальний поперечний переріз, теплопоглинальний елемент і трубопроводи, що сполучаються системою подачі і видалення 2D  2 cos  , t x  t 2 y  t 2D  2 sin  , 2 t 1  t    D  , де 2   x, y, z - координати точки кривої у прямокутній системі координат із центром, що збігається із центром сфери; D - діаметр сфери;  - кут обертання змінної точки гвинтової лінії D щодо осі z , який змінюється від 0 до 2 ; t t - крок гвинтової лінії. (19) UA (11) 95578 (13) C2 z  3 рідини. Теплопоглинальний елемент виконаний у вигляді тонкостінної круглого перерізу труби з увігнутою всередину частиною, оточений шаром теплоізоляції й установлений відносно лінзи у фокальній площині. Зверху на штанзі тримачами нерухомо закріплені згорнуті в спіраль протяжна лінза і теплопоглинальний елемент. Головним недоліком такого пристрою є наявність складного механізму відхилення, що забезпечує положення лінзи в напрямку до джерела сонячної енергії. Такий механізм повинен мати гідро- або пневмоциліндри, пневморозподільник, систему автоматичного спостереження, тощо. Найбільш близьким по технічній сутності є "Сонячний колектор Клещенка" (а.с. СРСР № 1709155, F24J2/24, опубл. 30.01.1992), що містить корпус і розташований у ньому поглинальний елемент із зовнішньою прозорою трубчастою оболонкою. В оболонці співвісно розміщений поглинач, на який спірально навита трубка, підключена на вході до теплової магістралі. Зазор між оболонкою й поглиначем з'єднаний з виходом колектора. Поглинальний елемент - теплоприймач - спірально викладений на кругле днище корпусу. Весь колектор з тильної сторони днищем обпирається на стояк, а кромка круглого днища рухливо контактує із криволінійним упором. У свою чергу, стояк і криволінійний упор установлюються на опорну площадку. Первісна орієнтація колектора відбувається шляхом зміни довжини й нахилу стояка. Спостереження за сонцем здійснюється перекочуванням круглого днища корпусу вздовж геометричного місця точок контакту, розташованих на криволінійному упорі. Одним з недоліків колектора є те, що для здійснення перекочування плоского колектора із круглим днищем щодо криволінійного упора необхідні механізм і привід до нього, а, отже, і енергія, яку необхідно підводити ззовні. Крім того, оскільки вхід і вихід теплоносія жорстко розміщені на колекторі, який перекочується, необхідний, відсутній у патенті, компенсувальний механізм для зв'язку з магістралями, що відповідно підводять холодний і відводять гарячий теплоносії. Недоліком цього технічного рішення є також те, що поглинальний елемент - теплоприймач спірально викладений на днище, при цьому сусідні витки елемента затіняють один і теплозняття з його бічної поверхні незначне через щільне прилягання сусідніх витків. В основу винаходу поставлена задача розробки сфероїдного сонячного колектора, форма теплоприймача якого дозволяє максимально поглинати енергію сонця і за рахунок цього збільшити енергетичну ефективність колектора. Поставлена задача розв'язується за рахунок того, що в сфероїдному сонячному колекторі, який містить теплоприймач, виконаний з металевої трубки з нанесеним на її зовнішню поверхню селективним світлопоглинальним шаром і прозорим світлопропускним теплозахисним покриттям, з підвідним і відвідним патрубками для рідкого теплоносія, відповідно до винаходу, теплоприймач виконаний з металевої трубки круглого перерізу, навитим у формі сфери по гвинтовій лінії з постій 95578 4 ним кроком навивки, що перевищує подвійний діаметр трубки. Крім того, геометрична форма теплоприймача описана наступними залежностями координат точки кривої від параметра  , який D змінюється від 0 до 2 , t x  t 2D  2 cos  , 2 t y  t 2D  2 sin  , 2 t 1  t    D  , де 2   x, y, z - координати точки кривої у прямокутній системі координат із центром, що збігається із центром сфери; D - діаметр сфери;  - кут обертання поточної точки гвинтової лінії відносно осі z; t - крок гвинтової лінії. Сфероїдна форма колектора дає можливість виключити необхідність орієнтації колектора у відповідності з рухом сонця та не потребує складних механічних привідних пристроїв. Знижуються витрати на привідне обладнання. Виконання теплоприймача колектора з металевої трубки круглого перерізу пояснюється високим коефіцієнтом теплопровідності металу і максимальним поглинанням сонячної енергії, що приводить до збільшення ефективності сонячного колектора. Виконання теплоприймача у формі сфери з металевої трубки з постійним кроком навивання витків дозволяє сонячним променям (як прямим, так і відбитим) нагрівати зовнішню і внутрішню поверхні теплоприймача, збільшуючи загальну площу нагрівання і, таким чином, підвищити ефективність колектора. Крок навивання теплоприймача, що перевищує подвійний діаметр трубки, дозволяє сонячним променям (як прямим, так і відбитим) проникати через проміжки між витками колектора, збільшуючи поверхню теплознімання і, отже, підвищується ефективність сонячного колектора. Геометрична форма сфероїдного сонячного колектора просторова, описана залежностями: D x, y, z , при зміні  від 0 до 2 , що доt зволяє виконати теплоприймач у формі сфери, максимально збільшивши поверхню теплознімання і, таким чином, підвищити ефективність колектора. На фіг. 1 зображений загальний вигляд запропонованого сфероїдного сонячного колектора, освітленого сонцем опівдні на середніх географічних широтах (наприклад, в Україні). На фіг. 2 зображений поперечний переріз витка колектора. Сфероїдний сонячний колектор містить теплоприймач 1 з підвідним 2 і відвідним 3 патрубками, у якому рухається рідкий теплоносій 4. Теплоприймач 1 виконаний у вигляді сфери діаметром D z  5 з тонкостінної металевої трубки круглого перерізу діаметром d , навитої по гвинтовій лінії з постійним кроком навивки t , що перевищує подвійний діаметр трубки. Геометричну форму теплоприймача 1 описано наступними залежностями координат точки кривої D від параметра  , що змінюється від 0 до 2 , t x  t 2D  2 cos  , 2 t y  t 2D  2 sin  , 2 t 1  t    D  , де 2   x, y, z - координати точки кривої у прямокутній системі координат із центром, що збігається із центром сфери; D - діаметр сфери;  - кут обертання поточної точки гвинтової лінії відносно осі z; t - крок гвинтової лінії. Зовнішня циліндрична поверхня трубки покрита селективним світлопоглинальним шаром 5, на який нанесене прозоре світлопропускне теплозахисне покриття 6, наприклад з полімерної плівки (фіг. 2). Колектор установлений на двох стояках 7 і опорі 8 на опорній площадці 9. Сфероїдний сонячний колектор працює у такий спосіб. На вхід у підвідний патрубок 2 колектора подається (показано стрілкою - фіг. 1) холодний рідкий теплоносій (технічнавода) 4. Під час руху теплоносій 4 усередині теплоприймача 1 нагрівається променистою сонячною енергією, що впливає на світлопоглинальний шар 5 через прозоре світлопропускне теплозахисне покриття 6. При цьому сонячні промені протягом усього дня від сходу до заходу сонця постійно впливають на половину змінної сфероїдної поверхні сонячного колектора 1. Крім того, внаслідок змінних кутів підйому витків, утворених сфероподібно, а також через те, що крок гвинтової лінії перевищує подвійний діаметр трубки сонячні промені мають z  95578 6 можливість проникати через проміжки між витками колектора й постійно нагрівають половину внутрішніх поверхонь витків теплоприймача 1. Далі нагрітий теплоносій 4 надходить (показано стрілкою фіг. 1) для подальшого споживання (опалення, гаряче водопостачання, тощо). При високих коефіцієнтах (приблизно 0,95) пропускної і поглинальної здатності селективного світлопоглинального шару 5 і низькому показнику (приблизно 0,05) відбивної здатності прозорого світлопропускного теплозахисного покриття 6 температура рідкого теплоносія 4 може досягати порядку 250-280 °С. Таким чином, запропонована конструкція сонячного колектора протягом усього світлового дня й при різному ступені сонячної інтенсивності забезпечує влучення сонячних променів на всю циліндричну поверхню трубки колектора. Запропоноване технічне рішення істотно підвищує ефективність селективного світлопоглинального шару 5 сонячного колектора 1. Завдяки сфероїдній формі колектор краще "стежить" за сонцем не тільки протягом дня, але й у різні пори року, коли воно проходить по небозводу на різній висоті й під різними кутами азимуту. У результаті цього виключається необхідність орієнтації колектора. Те ж стосується й різного часу доби - такий колектор "захоплює" світло із всіх напрямків. Світлові промені також проникають через міжвиткові проміжки, освітлюючи та нагріваючи внутрішні поверхні витків. Крім того, він уловлює як відбите від предметів, так і розсіяне в атмосфері світло. Сфероїдна форма не потребує використання будь-яких додаткових механізмів, щоб іти за рухом сонця, у той же час дозволяє поглинати максимальну кількість світлової енергії протягом усього дня від сходу до заходу сонця. Таким чином, запропонований сфероїдний сонячний колектор дозволяє протягом усього світлового дня сумарно одержати максимальну кількість променистої сонячної енергії. Крім того, відсутність необхідності направляти на сонце сфероїдний сонячний колектор дають йому додаткову перевагу в ергономічному й естетичному планах - він не закриває собою ландшафт місцевості. 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 95578 8 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601