Сонячний колектор

Реферат: Сонячний колектор містить теплоприймач, виконаний у вигляді півсфери з єдиної металевої трубки круглого перерізу з нанесеним на її зовнішню поверхню селективним світлопоглинальним покриттям, навитої по гвинтовій лінії з постійним кроком навивання, що перевищує подвійний діаметр трубки. Основа теплоприймача утворює спіраль Архімеда із кроком, що дорівнює діаметру трубки теплоприймача. Сонячний колектор оснащений теплоізоляційною основою, у яку герметично вбудована прозора півсфера, при цьому простір усередині півсфери вакуумований. Забезпечується одержання максимальної кількості променистої сонячної енергії протягом усього світлового дня. UA 102598 C2 (12) UA 102598 C2 UA 102598 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до геліотехнічних пристроїв, що використовують поновлюване джерело променисту сонячну енергію. Зокрема, це сонячні колектори, які безпосередньо перетворять променисту енергію Сонця в теплову, придатну для практичного застосування. На цей час у світовій практиці для перетворення поновлюваної сонячної енергії в теплову, як правило, застосовують геліотехнічні пристрої, що являють собою плоскі трубчасті колектори. Зазвичай це стаціонарно встановлені сонячні колектори, орієнтовані до півдня з ухилом до обрію, що залежать від широти даної місцевості. Принциповим недоліком всіх існуючих конструкцій плоских сонячних колекторів є необхідність мати в їхньому складі спеціальні механізми, що стежать за траєкторією руху Сонця як по висоті, так і по куту азимуту протягом усього світлового дня від сходу до заходу. В ідеальному випадку сонячний колектор, у буквальному значенні як соняшник, повинен рухатися за сонцем, зберігаючи оптимальне положення протягом усього дня. Застосування плоского сонячного колектора, у якому відбувається сполучення взаємодії автоматичного пристрою добового й річного спостереження за Сонцем і годинникового механізму з коригувальними пристроями, дійсно дає можливість реалізувати його оптимальну орієнтацію, забезпечуючи пряме влучення сонячної радіації на поверхню колектора й одержання максимальної теплової енергії. Однак такі механізми, крім того, що вони кінематично надзвичайно складні, потребують для їхнього приводу в дію підведення додаткової енергії. Тому рухливі плоскі сонячні колектори внаслідок високої вартості та громіздкості не одержали практичного застосування і на цей час використовуються практично тільки нерухливі колектори (Бринкворт Б. Дж. Сонячна енергія для людини. - М.: Мир, 1976.-286 с). Відомий сонячний колектор Клещенка (авторське свідоцтво SU № 1709155, F24J 2/24, F24J 2/28, F24J 2/52, опубл. 30.01.1992), що містить корпус і розташований у ньому поглинаючий елемент із зовнішньою прозорою трубчастою оболонкою. В оболонці співвісно розміщений поглинач, на який спірально навита перфорована трубка, підключена на вході до теплової магістралі. Зазор між оболонкою і поглиначем пов'язаний з виходом колектора. Поглинаючий елемент спірально покладений на кругле днище корпусу. Весь колектор з тильної сторони днищем опирається на стійку, а кромка круглого днища рухливо контактує із криволінійним упором. У свою чергу, стійка і криволінійний упор установлюються на опорну площадку. Первісна орієнтація колектора відбувається шляхом зміни довжини і нахилу стійки. Спостереження за сонцем здійснюється перекочуванням круглого днища корпусу уздовж геометричного місця точок контакту, розташованих на криволінійному упорі. Описаний колектор має головний недолік - для здійснення перекочування плоского колектора із круглим днищем стосовно криволінійного упору необхідні механізм і привід до нього, а, отже, і енергія, яку необхідно підводити ззовні. Все це в заявленому патенті відсутнє. Колектор надзвичайно складний у технологічному плані. Для здійснення його складання необхідно в прозорій трубчастій оболонці співвісно встановити трубчастий поглинач зі спірально навитою на його зовнішню поверхню перфорованою трубкою і все це спірально укласти на днище. Крім того, оскільки вхід і вихід теплоносія в колекторі жорстко розміщені на круглому корпусі, що перекочується на криволінійному упорі, необхідні відсутні в патенті, компенсуючи механізми для зв'язку з підведенням холодного і відводом гарячого теплоносія з магістралі. Найбільш близьким за технічною суттю й сукупністю ознак є "Сфероїдний сонячний колектор" (Патент України 95578, МПК F24J 2/24, опубл. 10.08.2011, Бюл. № 15), що містить поглинальний елемент із зовнішньою прозорою трубчастою оболонкою і розташованим у ній трубчастим теплоприймачем з підвідним і відвідним патрубками для рідкого теплоносія. Теплоприймач виконаний з єдиної металевої трубки круглого перерізу і навивання у формі сфери по гвинтовій лінії з постійним кроком навивки, що перевищує подвійний діаметр трубки. Геометрична форма теплоприймача описана наступними залежностями координат точок кривої від параметра  : 50 X()  Y()  55 t 2D  2 cos  , 2 t t 2D  2 cos  , 2 t Z()  1  t    D  , де 2   1 UA 102598 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 X , Y , Z - координати точок кривої у прямокутній системі координат із центром, що збігається із центром сфери, D - діаметр сфери,  - кут повороту змінної точки, що змінюється, гвинтової лінії відносно осі Z , що змінюється від 0 до 2 D , t t - крок гвинтової лінії. Недоліком цього винаходу є відсутність теплоізоляції колектора. Відкрита сферична трубчаста поверхня колектора безпосередньо піддається атмосферному впливу (вітер, дощ, сніг тощо), що призводить до значних тепловтрат. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення конструкції сонячного колектора, в якому за рахунок зміни його геометричної форми і використання теплоізоляції досягається мінімізація тепловтрат та підвищується енергетична ефективність сонячного колектора. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в сонячному колекторі теплоприймач з підвідним і відвідним патрубками для рідкого теплоносія виконаний з єдиної металевої трубки круглого перерізу, навитої по гвинтовій лінії з постійним кроком навивання, що перевищує подвійний діаметр трубки, з нанесеним на її зовнішню поверхню селективним світлопоглинальним покриттям, геометрична форма теплоприймача описана залежностями координат точок кривої від кута повороту  гвинтової лінії, що змінюється від 0 до 2 D , де D t діаметр сфери, t - крок гвинтової лінії, згідно з винаходом, теплоприймач сонячного колектора виконаний у вигляді півсфери, навитої по гвинтовій лінії, основа якої утворює спіраль Архімеда з кроком, що дорівнює діаметру трубки теплоприймача, і оснащена теплоізоляційною основою. При цьому сферична частина колектора закрита прозорою півсферою, герметично установленою в теплоізоляційній основі колектора, а утворена в такий спосіб порожнина вакуумована. Виконання теплоприймача навитим по півсфері з основою у вигляді спіралі Архімеда дозволило без зменшення його активної поверхні скоротити габаритні характеристики сонячного колектора в цілому та мінімізувати тепловтрати. Виконання кроку спіралі Архімеда, що дорівнює діаметру трубки теплоприймача, витки якої розташовано впритул один до одного - захищає теплоізоляційну основу колектора від впливу лучистого сонячного проміння, що дозволило зменшити тепловтрати. Наявність прозорої півсфери дозволило захистити теплоприймач від атмосферного впливу (дощ, вітер, сніг, пил тощо), що мінімізувало тепловтрати. Наявність теплоізоляційної основи колектора та утворення вакуумованої порожнини, в якій розміщено теплоприймач, дозволило суттєво знизити теплові втрати, підвищивши енергетичну ефективність сонячного колектора. На фіг. 1 зображений загальний вигляд сонячного колектора. На фіг. 2 зображений місцевий вигляд спіральної основи теплоприймача. На фіг. 3 зображений поперечний переріз трубки теплоприймача. Сонячний колектор містить трубчастий теплоприймач 1 з підвідними і відвідними патрубками, зверху теплоприймача 1 встановлена прозора скляна півсфера 2, що герметично розташована в кільцевої канавці теплоізоляційної основи 3. Повітряний простір колектора між скляною півсферою 2 і теплоізоляційною основою 3 вакуумований. Підвідний і відвідний патрубки ущільнені у втулках 4, одна з яких розміщена в отворі круглої теплоізоляційної основи 3, інша - в отворі прозорої півсфери 2. Зовнішня циліндрична поверхня трубчастого теплоприймача 1 має селективне світлопоглинальне покриття 5. У теплоприймачеві 1 знаходиться рідкий теплоносій 6. Теплоприймач 1 геометрично виконаний у вигляді півсфери радіусом R з єдиної безперервної металевої трубки круглого перерізу діаметром d, спірально навитої по гвинтовій лінії, координати точок якої залежать від параметра  , та з постійним кроком навивання t, що перевищує подвійний діаметр металевої трубки. Останній виток півсфери плавно переходить у основу, що виконана у вигляді плоскої спіралі Архімеда із кроком навивання t1 , дорівнює діаметру металевої трубки d. Сонячний колектор працює в такий спосіб. На вхід у підвідний патрубок теплоприймача 1 подається (показано стрілкою) холодний рідкий теплоносій (технічна вода) 6, що рухається в основі по спіралі Архімеда і переходить у сферичну гвинтову лінію на вихід у відвідний патрубок. Під час руху усередині теплоприймача 1 теплоносій 6 нагрівається променистою сонячною енергією, що впливає через прозору півсферу 2 на селективне світлопоглинальне 2 UA 102598 C2 5 10 15 20 покриття 5 теплоприймача 1. Деталі колектора: теплоізоляційна основа 3 і втулки 4 виконані з теплоізоляційних матеріалів і сприяють зменшенню втрат тепла. Тепловтрати теплоносія 6 у сонячному колекторі також мінімізовані за рахунок створення вакууму між теплоізоляційною основою 3 і прозорою півсферою 2, яку герметично вбудовано в кільцеву канавку теплоізоляційної основи 3. Сонячні промені протягом усього дня від сходу до заходу сонця постійно впливають на поверхню півсфери 2 сонячного колектора. Крім того, сонячні промені також проникають через проміжки між витками колектора та постійно нагрівають внутрішні тильні поверхні трубних витків і зовнішню трубчасту поверхню плоскої спіральної основи теплоприймача 1. Далі нагрітий теплоносій 6 надходить (показано стрілкою) для подальшого споживання (опалення, гаряче водопостачання тощо). Завдяки сферичній формі колектор краще "стежить" за Сонцем не тільки протягом дня, але й у різні пори року, коли воно проходить по небокраю 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 і нагріваючи внутрішні поверхні витків як півсферичної частини, так і плоску спіральну основу півсфери. Крім того, сонячний колектор уловлює як відбите від предметів, так і розсіяне в атмосфері світло. Сферична форма не потребує використання якихось додаткових механізмів, щоб рухатися за сонцем, у той же час дозволяє поглинати максимальну кількість світлової енергії протягом усього дня від сходу до заходу сонця. Таким чином, запропонований сонячний колектор дозволяє протягом усього світлового дня сумарно одержати максимальну кількість променистої сонячної енергії. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Сонячний колектор, що містить теплоприймач з підвідним і відвідним патрубками для рідкого теплоносія, виконаний з єдиної металевої трубки круглого перерізу з нанесеним на її зовнішню поверхню селективним світлопоглинальним покриттям, навитої по гвинтовій лінії з постійним кроком навивання, що перевищує подвійний діаметр трубки, геометрична форма теплоприймача описана залежностями координат точок кривої від кута повороту  гвинтової 30 лінії, що змінюється від 0 до 2 D , де D - діаметр сфери, t - крок гвинтової лінії, який t відрізняється тим, що теплоприймач сонячного колектора виконаний у вигляді півсфери, навитої по гвинтовій лінії, основа якої утворює спіраль Архімеда із кроком, що дорівнює діаметру трубки теплоприймача, і оснащена теплоізоляційною основою, у яку герметично вбудована прозора півсфера, при цьому простір усередині півсфери вакуумований. 3 UA 102598 C2 4 UA 102598 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5