Плоский вакуумний сонячний колектор

Реферат: UA 97113 U UA 97113 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплотехніки і геліотехніки, а саме до вакуумних плоских сонячних колекторів, і може бути використана у пристроях для перетворення сонячної енергії у теплову енергію теплоносія у системах гарячого водопостачання і опалення. Відомі плоскі, вакуумні трубчаті і вакуумні плоскі сонячні колектори. Останні мають таку саму апертуру (максимальна площа, на яку потрапляє сонячне випромінювання) і площу абсорбера (площа шару, що поглинає сонячне випромінювання), як і у плоского колектора, що дорівнює площі передньої поверхні його корпусу (довжина × ширину). Крім цього вакуумні плоскі сонячні колекторі мають високий ступінь вакуумної ізоляції, як і вакуумні трубчаті колектори. Таким чином, існуючі вакуумні плоскі сонячні колекторі мають найвищі технічні і споживчі характеристики у порівнянні з плоскими і вакуумними трубчатими, однак вони є найскладнішими у технічному виконанні і, відповідно, найдорожчими. Наприклад відомий плоский вакуумний сонячний колектор, що містить корпус із підтримуючою металевою конструкцією, верхню плоску скляну панель, пластинчатий поглинач, покритий плівкою чорного кольору, термічно зв'язану з ним трубу із теплоносієм, нижню частину. Сонячне випромінювання, проходячи крізь скляну панель, нагріває поглинач, а той трубу з теплоносієм, при цьому вакуумування колектора сприяє запобіганню переносу тепла газом і, відповідно, теплоізоляції (RU 2348869 С2, МПК (2006.01) F24J 2/00, 2/05, 2/42, 2/46, опубл. 10.03.2009). У відомому сонячному колекторі досягається високий ступінь вакууму за рахунок надійного метало-скляного периметричного ущільнення. Основним недоліком відомого сонячного колектора є наявність труби для транспортування теплоносія, яка внаслідок своєї форми має найбільший об'єм при найменшій площі поверхні, що негативно впливає на теплопередачу. Найбільш близьким аналогом пристрою, що заявляється, вибраним як прототип, є плоский вакуумний сонячний колектор, що містить герметичний корпус з прозорим захисним покриттям, теплоприймальну панель, що складається із зовнішнього плоского елемента і внутрішнього рельєфного елемента у вигляді металевих гофрів, які утворюють замкнені канали, що сполучаються на вході і виході із розподільчим і збірним каналами. На зовнішню поверхню панелі нанесено селективне покриття, у просторі між прозорим захисним покриттям і теплоприймальною панеллю створений вакуум. У замкнених каналах теплоприймальної панелі циркулює теплоносій, що являє собою люмінофор, який дозволяє шляхом зміщення спектра падаючого випромінювання перетворювати його в інфрачервоне, що поглинається внутрішнім металевим елементом і спричиняє його розігрів, після чого внутрішній елемент за рахунок теплопровідності розігріває теплоносій. Колектор захищений теплоізоляційним шаром по периметру і задній панелі (RU 2350852 C2, МПК (2006.01) F24J 2/24, опубл. 27.03.2009). У відомому сонячному колекторі збільшена площа поверхні, що контактує з теплоносієм, внаслідок утворення множини каналів для теплоносія. Недоліками відомого сонячного колектора, що знижують його надійність, ефективність використання сонячної енергії, ускладнюють його конструкцію, є: - наявність каналів для теплоносія, що зумовлює наявність місць без каналів, що призводить до перегріву цих місць, надмірного інфрачервоного випромінювання у довкілля, додаткових втрат при передачі тепла теплоносію; - виконання абсорбера (поглинача) у вигляді теплоприймальної панелі з внутрішнім металевим елементом, що спричиняє участь у передачі тепла теплоносію додаткового елемента; - ризик руйнування прозорого елемента, внаслідок впливу зовнішнього тиску при вакуумуванні. В основу корисної моделі поставлено задачу створення нового плоского вакуумного сонячного колектора, в якому нові елементи, нове їх виконання і використання нових матеріалів дозволяють поліпшити теплоізоляційні властивості, що зменшує втрати і підвищує коефіцієнт корисної дії, знизити загальну температуру поверхонь, що призводить до зменшення тепловтрат через надмірне інфрачервоне випромінювання, спростити конструкцію і зменшити її металоємність, здешевити процес виготовлення, підвищити ефективність використання сонячної енергії, а також надійність і безпеку роботи колектора. Поставлена задача вирішується тим, що у плоскому вакуумному сонячному колекторі, що містить герметичний корпус, зовнішню прозору панель, задню панель, абсорбер, теплоносій, та в якому між панелями створений вакуум, згідно з корисною моделлю, новим є те, що між зовнішньою прозорою панеллю і задньою панеллю встановлена внутрішня прозора панель, як абсорбер використаний пофарбований у темний колір теплоносій, що знаходиться між внутрішньою прозорою панеллю і задньою панеллю, вакуум створений у просторі між 1 UA 97113 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зовнішньою і внутрішньою прозорими панелями, де міститься розріджене до 0,2-0,5 атм повітря або парниковий газ, наприклад метан, та між цими панелями встановлені упори, при цьому в колекторі встановлені із можливістю переміщення через них теплоносія при його нагріванні впускний і випускний патрубки. Новим також є те, що між зовнішньою і внутрішньою панелями вмонтована система контролю розрідження. Новим також є те, що кількість упорів визначена в залежності від величини розрідження. Новим також є те, що упори виготовлені з прозорого матеріалу, коефіцієнт теплопровідності якого не більше 0,5 Вт/(м*К), наприклад з органічного скла. Новим також є те, що корпус має теплоізоляційний шар, виконаний на задній панелі і по периметру корпусу. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом існує наступний. Установлення між зовнішньою прозорою панеллю і задньою панеллю внутрішньої прозорої панелі і використання як абсорбера пофарбованого у темний колір теплоносія, що знаходиться між внутрішньою прозорою панеллю і задньою панеллю, тобто суміщення теплоприймача і теплоносія, забезпечує можливість виключення використання металевих елементів як посередника у передачі тепла до теплоносія, що дозволяє усунути втрати тепла, які відбуваються внаслідок надмірного інфрачервоного випромінювання розігрітого металевого елемента, зниження загальної температури поверхонь. У заявленому сонячному колекторі сонячне випромінювання проходить крізь передню і середню прозорі панелі і поглинається безпосередньо теплоносієм - темною рідиною, переважно водою, яка має високі теплопоглинаючі властивості, підсилені темним кольором. Вода нагрівається, починає випромінювати в інфрачервоному діапазоні спектра, однак теплоізоляція корпусу і шар розрідженого повітря або газу достатні для перешкоджання виходу цього випромінювання назовні. В результаті досягається поліпшення теплоізоляційних властивостей колектора, зменшення втрат тепла, підвищення коефіцієнта корисної дії, спрощення і здешевлення конструкції. Створення вакууму у просторі між зовнішньою і внутрішньою прозорими панелями, де міститься розріджене до 0,2-0,5 атм повітря або парниковий газ, наприклад метан, тобто газ, який має високу прозорість у видимому діапазоні і високе поглинання у дальньому інфрачервоному діапазоні, не дозволяє інфрачервоному випромінюванню від нагрітого теплоносія, температура якого значно вища за температуру довкілля, виходити назовні, повітря або метан служить ніби захисним екраном, перешкоджаючим такому переміщенню й екрануючим зворотно тепло теплоносія. Крім цього знижений тиск, створений у просторі між зовнішньою і внутрішньою прозорими панелями, перешкоджає виникненню значних конвекційних потоків від нагрітого теплоносія, які також служать переносниками тепла. Це також призводить до поліпшення теплоізоляційних властивостей колектора, підвищення коефіцієнта корисної дії, зменшення втрат тепла. Установлення між зовнішньою і внутрішньою прозорими панелями упорів, запобігає руйнуванню зазначених панелей зовнішнім тиском при створенні між ними необхідного ступеня розрідження, що також сприяє підвищенню теплоізоляційних властивостей колектора, коефіцієнта корисної дії, зменшенню втрат тепла, підвищенню ефективності, надійності і безпеки роботи колектора. Установлення в колекторі із можливістю переміщення через них теплоносія при його нагріванні впускного і випускного патрубків забезпечує природну циркуляцію теплоносія між внутрішньою і задньою панелями, що призводить до підвищення ефективності роботи колектора. Технічний результат полягає у забезпеченні економічності, підвищенні ефективності, поліпшенні теплоізоляційних властивостей колектора, зменшенні втрат тепла, підвищенні коефіцієнта корисної дії, спрощенні конструкції і зменшенні її металоємності, здешевленні процесу виготовлення, підвищенні ефективності використання сонячної енергії, надійності і безпеки роботи плоского вакуумного сонячного колектора. Крім цього умонтування у порожнину між зовнішньою і внутрішньою панелями системи контролю розрідження із зовнішніми засобами управління дозволяє постійно відслідковувати і тримати на необхідній величині рівень розрідження всередині колектора в процесі його експлуатації, що сприяє збереженню максимально довго початкових характеристик колектора, що також призводить до підвищення надійності і безпеки. Визначення кількості упорів в залежності від величини розрідження дозволяє точно розраховувати кількість упорів, необхідну і достатню для компенсації зовнішнього тиску на 2 UA 97113 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 прозорі панелі, що запобігає їх руйнуванню і підвищує безпеку і надійність колектора. Виготовлення упорів з прозорого матеріалу, коефіцієнт теплопровідності якого не більше 0,5 Вт/(м*К), наприклад з органічного скла, дозволяє сонячному випромінюванню проходити крізь упори без значного поглинання ними тепла, що також сприяє підвищенню ефективності використання сонячної енергії. Наявність теплоізоляційного шару, виконаного на або у корпусі, на задній панелі і по периметру корпусу, запобігає виходу тепла назовні, що сприяє підвищенню теплоізоляційних властивостей колектора. Корисна модель, що заявляється, пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 зображений фронтальний переріз плоского вакуумного сонячного колектора; на Фіг. 2 - загальний вигляд зверху колектора; на Фіг. 3 - загальний вигляд знизу колектора. Плоский вакуумний сонячний колектор (Фіг. 1-3) в одному з можливих виконань корисної моделі, що заявляється, який однак не є єдино можливим, містить герметичний корпус прямокутної форми з двома плоскими прозорими, наприклад скляними, панелями - зовнішньою панеллю 1, внутрішньою панеллю 2, а також із третьою задньою плоскою панеллю 3, яка може бути виготовлена з пластика. Відстань між панелями розраховується в залежності від географічної широти, на якій встановлений колектор. Простір між зовнішньою панеллю 1 і внутрішньою панеллю 2 заповнений розрідженим до 0,2-0,5 атм повітрям або парниковим газом, наприклад метаном. Між цими панелями встановлені дистанційні упори 4 з прозорого матеріалу, коефіцієнт теплопровідності якого не більше 0,5 Вт/(м*К), наприклад з органічного скла з коефіцієнтом теплопровідності 0,18 Вт/(м*К). Кількість упорів 4 визначається в залежності від величини розрідження (Фіг. 1). У порожнину між зовнішньою панеллю 1 і внутрішньою панеллю 2 може бути вмонтована трубка 5 контролю розрідження (Фіг. 2). Між внутрішньою панеллю 2 і задньою панеллю 3 знаходиться теплоносій 6, пофарбований у темний колір, наприклад у темно-коричневий. Це може бути пофарбована вода, антифриз або інша рідина. При цьому теплоносій 6 виконує також і функцію абсорбера. На задній стінці 3 встановлені із можливістю переміщення через них теплоносія при його нагріванні впускний патрубок 7 і випускний патрубок 8 (Фіг. 3). Для забезпечення природної циркуляції теплоносія патрубки 7, 8 встановлені таким чином, що при розташуванні колектора під кутом до горизонту в процесі експлуатації випускний патрубок 8 розміщений вище за впускний патрубок 7, причому з протилежного боку. Можливе виконання патрубків 7, 8 з боків корпусу. Можлива також і примусова циркуляція теплоносія. Можливе використання колектора, що заявляється, у комплексі з тепловим насосом для збільшення ККД сонячного колектора, поліпшення експлуатаційних характеристик. Тепловий насос, знижуючи температуру теплоносія, підвищує температуру в теплообміннику, що дозволяє, хоч і з меншою ефективністю, експлуатувати сонячний колектор у несприятливих умовах. Відстань між внутрішньою панеллю 2 і задньою панеллю 3 залежить від конкретних технічних задач і в одному з можливих виконань становить 7-10 мм. По периметру і задній стінці 3 корпус захищений теплоізоляційним шаром 9, наприклад полістиролом, який може мати антивідблискове покриття. Колектор забезпечений рамою, призначеною для встановлення колектора у блоки і монтажу на місці експлуатації (Фіг. 2). Плоский вакуумний сонячний колектор працює таким чином. Колектор розміщують у місцях, що підходять для абсорбції сонячного випромінювання, під кутом, оптимальним для даної широти. Колектор підключають до системи циркуляції теплоносія. Колектор може бути виконаний із можливістю регуляції подачі теплоносія. Холодний теплоносій 6 потрапляє у простір між внутрішньою панеллю 2 і задньою панеллю 3 через впускний патрубок 7. Сонячне випромінювання проходить крізь зовнішню прозору панель 1 і внутрішню прозору панель 2 і нагріває пофарбований теплоносій-абсорбер 6. Нагрітий теплоносій 6 випромінює в інфрачервоному діапазоні, однак при цьому розріджене повітря або метан екранує тепло зворотно у теплоносій, а низький тиск перешкоджає утворенню значних конвекційних теплових потоків. Нагрітий теплоносій піднімається вгору і без втрат тепла через випускний патрубок 8 направляється для подальшого використання для нагріву води у системи гарячого водопостачання, або опалення, або для іншого використання, а його місце займає холодний теплоносій, забезпечуючи безперервний процес природної циркуляції. Таким чином заявлена корисна модель дозволяє при спрощенні конструкції колектора досягти підвищення його теплоізоляційних властивостей, зменшення втрат тепла, що зумовлює підвищення ККД, ефективності, надійності і безпеки роботи колектора. 3 UA 97113 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Плоский вакуумний сонячний колектор, що містить герметичний корпус, зовнішню прозору панель, задню панель, абсорбер, теплоносій, та в якому між панелями створений вакуум, який відрізняється тим, що між зовнішньою прозорою панеллю і задньою панеллю встановлена внутрішня прозора панель, як абсорбер використаний пофарбований у темний колір теплоносій, що знаходиться між внутрішньою прозорою панеллю і задньою панеллю, вакуум створений у просторі між зовнішньою і внутрішньою прозорими панелями, де міститься розріджене до 0,20,5 атм повітря або парниковий газ, наприклад метан, та між цими панелями встановлені упори, при цьому в колекторі встановлені із можливістю переміщення через них теплоносія при його нагріванні впускний і випускний патрубки. 2. Колектор за п. 1, який відрізняється тим, що між зовнішньою і внутрішньою панелями вмонтована система контролю розрідження. 3. Колектор за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що кількість упорів визначена в залежності від величини розрідження. 4. Колектор за пп. 1-3, який відрізняється тим, що упори виготовлені з прозорого матеріалу, коефіцієнт теплопровідності якого не більше 0,5 Вт/(м*К), наприклад з органічного скла. 5. Колектор за пп. 1-4, який відрізняється тим, що корпус має теплоізоляційний шар, виконаний на задній панелі і по периметру корпусу. 4 UA 97113 U Комп’ютерна верстка О. Рябко 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