BG64927B1 - Плосък слънчев колектор - Google Patents

Abstract

Колекторът намира приложение при изграждане на енергийни системи с акумулатори на топлина, предназначени за нагряване на вода във водоснабдителни и отоплителни инсталации на битови и промишлени сгради. Той има повишена пропускливост за слънчевата радиация и подобрена топлоизолация между топлоабсорбиращия флуид и околната среда, намалени радиационни и конвективни загуби от влага във въздушните междини. Осигурява се възможност за пълно източване на топлоабсорбиращия флуид от колектора при спиранена неговото действие. Плоският слънчев колектор есъставен от множество паралелно разположени прозрачни канали, чиито вход и изход са свързани към събирателни колектори, в които преминава топлоабсорбиращ флуид. Прозрачните канали са изпълнени като горна и долна поликарбонатна плоча (1, 3), разположени една над друга, с образувана между тях въздушна междина (4). Периферен прозрачен канал (401) е разположен по околните ръбове на плочите (1, 3). Отдолу, върху обратната страна на плочата (1), е нанесено тънкослойно селективно покритие (102). Каналът (401) е напълнен с хигроскопично вещество (2),с което са запълнени частично и прозрачните канали (101) на плочата (1). Топлоабсорбиращият флуид преминава в прозрачните канали (301) на долната плоча (3), под която е разположен последователно топлинен екран с отражател (5) и топлоизолационен слой(6).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до плосък слънчев колектор, което намира приложение при изграждане на високоефективни енергийни системи с акумулатори на топлина, предназначени за нагряване на вода във водоснабдителни и отоплителни инсталации на жилищни, обществени и промишлени сгради.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е плосък слънчев колектор, който е съставен от горна поликарбонатна плоча и долна пластмасова плоча с добавени в състава й фини карбонови частици, които й придават черен цвят. В долната пластмасова плоча са оформени множество паралелни непрозрачни канали, в които е поставен топлоабсорбиращ флуид. Горната поликарбонатна плоча е съставена от множество паралелни прозрачни канали и е поставена директно върху долната плоча, която от своя страна е разположена върху топлоизолационен слой. Краищата на долната пластмасова плоча са свързани към събирателни колектори, които представляват вход и изход за преминаване на топлоабсорбиращия флуид. /1/

При известния слънчев колектор въздушната междина между горната и долната пластмасови плочи е с незначителна дебелина, която предизвиква значителни загуби на топлина. Множеството отвори по цялата дължина на събирателните колектори, през които топлоабсорбиращият флуид влиза и излиза от долната пластмасова плоча, увеличава допълнително хидравличното съпротивление колектора и налага използването на помпи с по-голяма мощност.

Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението е да се създаде плосък слънчев колектор, при който с минимални разходи на полимерни материали да се повиши ефективността при експлоатация, да се осигури значително намаляване на конвективните и радиационни загуби на топлина, както и да се предотврати замръзването на топло абсорбиращия флуид и образуването на конденз във въздушните междини на конструкцията.

В съответствие с изобретението тази задача се решава посредством плосък слънчев колектор, съставен от горна поликарбонатна плоча и от долна пластмасова плоча с оформени множество паралелни канали, чиито вход и изход са свързани към събирателни колектори, които представляват вход и изход за протичащия в паралелните канали топлоабсорбиращ флуид. Долната и горната плочи са разположени една над друга с образувана между тях въздушна междина.

Долната пластмасова плоча е изпълнена като поликарбонатна плоча, а горната поликарбонатна плоча е съставена от множество паралелни прозрачни канали, при което въздушната междина е оформена от периферен прозрачен канал, разположен по околните ръбове на горната и долната поликарбонатни плочи. Периферният прозрачен канал е напълнен с хигроскопично вещество, с което са запълнени частично и прозрачните канали на горната поликарбонатна плоча. Върху долната повърхност на горната поликарбонатна плоча е нанесено тънкослойно селективно покритие, а под долната поликарбонатна плоча са разположени последователно топлинен екран с отражател и топлоизолационен слой.

Съгласно едно вариантно изпълнение на изобретението събирателните колектори са изпълнени с наклонено дъно, а съгласно друго топлоизолационният флуид представлява молекулярен воден разтвор на черна боя.

Предимствата на плоския слънчев колектор са, че въздушната междина между двете поликарбонатни плочи е с увеличена дебелина, която заедно с надлъжното разположение на каналите на горната поликарбонатна плоча спрямо каналите на долната поликарбонатна плоча води до значително намаление на конвективните загуби от слънчевия колектор към околната среда. Тънкослойното селективно покритие върху долната страна на горната поликарбонатна плоча, заедно с топлинния екран и отражателя под долната поликарбонатна плоча, отразяват топлинното излъчване от топлоабсорбиращия флуид обратно към долната плоча, с което се намаляват радиационните за губи от колектора и се повишава неговата ефективност. Поставеното хигроскопично вещество в периферния канал на въздушната междина и в каналите на горната поликарбонатна плоча възпрепятства образуването на конденз, при осигуряване на висока степен на прозрачност на конструкцията за слънчевото излъчване. Наличието на наклон на дъното на събирателните колектори позволява пълно източване на топлоабсорбиращия флуид от слънчевия колектор при спиране работата на помпата в системата. С възможността за пълно източването на топлоабсорбиращия флуид от слънчевия колектор, се предотвратява неговото замръзване в каналите на долната плоча през зимните месеци, предотвратяват се загубите на топлина през нощта и в ранните сутрешни часове, когато интензивността на слънчевото излъчване е малка, което води до допълнително повишаване на ефективността на слънчевия колектор. Източването натоплоабсорбиращият флуид от колектора, когато не работи, позволява в системата от слънчеви колектори да отпадне необходимостта от използване на антифриз, който оскъпява експлоатацията, усложнява конструкцията на цялата система и е агресивен към повечето полимерни материали с повишаване на температурата. Молекулярният воден разтвор на черна боя поглъща изцяло слънчевото излъчване, преминало през прозрачните повърхности на двете поликарбонатни плочи, не е токсичен и не допуска появата на утайки и оцветяване по вътрешната повърхност на каналите на долната плоча. Долната и горната поликарбонатни плочи, както и събирателните колектори, са изработени от един и същ материал и се произвеждат по еднотипна технология чрез екструдиране, което значително намалява разходите за изпълнение на колектора като се осигурява еднакъв коефициент на температурно разширение и намалена маса на цялостната конструкция. Наличието на защитен слой върху горната и долната поликарбонатни плочи, абсорбира ултравиолетовото излъчване от слънцето и предпазва полимерните плоскости от пожълтяване и повърхностни наранявания.

Пояснение на приложените фигури

Изобретението се разяснява по-подроб но с помощта на примерното изпълнение на плоския слънчев колектор, показано на фигурите, където:

На фиг. 1 е представен общ изглед с нап5 речен разрез на колектора;

На фиг. 2 е показан надлъжен разрез на колектора;

На фиг. 3 е даден общ изглед на корпуса на събирателен колектор;

На фиг. 4 е представен надлъжен разрез на система от няколко свързани помежду си колектори, монтирани върху наклонен покрив на сграда;

На фиг. 5 е даден напречен разрез на οποί 5 тема от плоски слънчеви колектори, монтирани върху наклонен покрив на сграда;

На фиг. 6а и 66 е показана 1 изглед отстрани и отпред, система от плоски слънчеви колектори, монтирани върху сграда с плосък 20 покрив.

Плоският слънчев колектор, както е показано на фиг. 1 и 2 е изграден от горна и долна поликарбонатни плочи 1 и 3, разположени една над друга с образувана между тях въз25 душна междина 4. Плочите 1 и 3 се състоят от множество прозрачни канали 101 и 301, разположени паралелно в две успоредни равнини на двете непрекъснати прозрачни плочи. Двата края на горната поликарбонатна плоча 1 са за30 печатани херметично с алуминиева лента, която не е показана на фигурите. Единият край на прозрачните канали 101, които изграждат горната поликарбонатна плоча 1, са запълнени частично с хигроскопично вещество 2, както е по35 казано на фигура 2. От долната страна на горната поликарбонатна плоча 1 е нанесено тънкослойно селективно покритие 102. Така самата горна поликарбонатна плоча 1 служи като защитно покритие на плоския слънчев ко40 лектор, което осигурява висока пропускливост за слънчевата радиация, механична здравина и намалени радиационни и конвективни загуби във въздушната междина 4. Намаляването на конвективните загуби в прозрачните канали 101 45 се постига чрез херметичното затваряне на двата края на горната поликарбонатна плоча 1 с металната лента, а хигроскопичното вещество 2 е предназначено да поглъща съдържащата се влага в прозрачните канали 101, с което се пос50 тига увеличаване на топлоизолационната им способност и пропускливостта им за слънчевата радиация. При попадане на слънчевите лъчи върху селективното покритие 102 то пропуска слънчевата радиация към топлоабсорбиращия флуид и същевременно отразява обратно към него топлинното излъчване от долната поликарбонатна плоча 3, като по този начин се запазва високата пропускливост на горната поликарбонатна плоча 1 за слънчевата радиация и се поддържа по-ниска нейната температура. Така се намаляват допълнително конвективните и радиационни загуби към околната среда. Въздушната междина 4 е оформена в пространството между горната поликарбонатна плоча 1 и долната поликарбонатна плоча 3, които са разделени една от друга посредством периферния прозрачен канал 401, перфориран от вътрешната страна и запълнен с хигроскопично вещество 2, което абсорбира влагата във въздушната междина 4, увеличава нейното термично съпротивление в колектора и предотвратява появата на конденз по долната страна на горната поликарбонатна плоскост 1. Топлинният екран с отражател 5, който е разположен под долната поликарбонатна плоча 3, има за цел да намали топлинните загуби от долната поликарбонатна плоча 3 към топлоизолационния слой 6 и същевременно да отрази част от преминалата обратно през топлоабсорбиращия флуид слънчева радиация, с което допълнително се увеличава коефициента на полезно действие на плоския слънчев колектор.

Както се вижда на фигура 2, двата края на прозрачните канали 301 на долната поликарбонатна плоча 3 са свързани към събирателните колектори 7, през които се подава и отвежда топлоабсорбиращия флуид едновременно към всички прозрачни канали 301 на долната поликарбонатна плоча 3. Топлоабсорбиращият флуид представлява молекулярен воден разтвор на черна боя, който циркулира свободно в прозрачните канали 301 на долната поликарбонатна плоча 3. Събирателните колектори 7, свързани към двата края на долната поликарбонатна плоча 3, са затворени от капака 8 и са изработени от пластмасов материал - поликарбонат. Те имат наклонено дъно, което позволява при спиране работата на колектора - пълно източване на топлоабсорбиращия флуид от каналите 301 на долната поликарбонатна плоча 3.

Наклоненото дъно спомага за естественото източване на топлоабсорбиращия флуид от колектора, като същевременно го предпазва от замръзване и закипяване. Така се постига увеличаване на коефициента на полезно действие на плоския слънчев колектор, запазват се свойствата на топлоабсорбиращия флуид и се избягва необходимостта от използване на топлообменник между акумулиращия съд и плоския слънчев колектор. Освен това източването на колектора, когато не работи, е свързано и с икономия на електрическа енергия от циркулационната помпа, непоказана на фигурите. Капакът 8 херметизира конструкцията на събирателния колектор 7 и същевременно служи като допълнителна топлоизолация между топлоабсорбиращия флуид и околната среда. Капакът 8 е изработен от същия материал, както долната и горната поликарбонатни плочи 1, 3, връзката между корпуса и капака 8 на събирателния колектор се осъществява посредством залепване.

От общия вид на корпуса на събирателния колектор 7 заедно с долната поликарбонатна плоскост 3, показани на фиг. 3, се вижда, че при този вариант на изпълнение на корпуса 7 на събирателния колектор, същият представлява компактно неделимо тяло с щуцер за връзка, чрез който се свързват отделните колектори в една система или към подаващата тръба 13 и към отвеждащата тръба на системата, която не е показана на фигурите.

Система от два плоски слънчеви колектора, монтирани върху наклонен покрив, е показана в надлъжен разрез на фиг.4. При този вариант на монтиране на колекторите, топлоабсорбиращият флуид от акумулиращия съд се подава с циркулационна помпа, непоказана на фигурата, по подаващата тръба 1.3, през коляно 12, към събирателния колектор 7. След това топлоабсорбиращият флуид навлиза в каналите 301 на долната поликарбонатна плоча 3 и напуска слънчевия колектор през изходящия събирателен колектор 7, разположен в горната страна на колектора. Изходът на първия плосък слънчев колектор е свързан с входа на втория слънчев колектор посредством гъвкава връзка 15, която може да се изпълни от тефлон, силикон или маслоустойчив каучук така, че да издържа на работната темпе ратура на топлоабсорбиращия флуид и същевременно да поема линейните разширения между отделните колектори в системата по време на тяхната работа. След като топлоабсорбиращият флуид премине през всички слънчеви колектори, свързани в модулна система, той се връща обратно в топлинния акумулатор под действие на гравитацията през коляното 12, което е свързано с изхода на последния събирателен колектор от системата и връщащата тръба 14.

При монтажа на свързани в система плоски слънчеви колектори върху наклонен покрив съставните слънчеви колектори се монтират директно върху носещата конструкция на покрива. На фигури 4 и 5 са показани съответно надлъжен и напречен разрез на система от плоски слънчеви колектори, монтирани върху наклонен покрив, покрит с керемиди 20. При това конструктивно изпълнение отделните колектори, влизащи в състава на системата, стъпват директно върху дъсчената обшивка 21 на покривната конструкция. За целта част от покриващия материал, в случая керемидите се махат, за да се освободи необходимото място за системата от колектори. Отделните плоски слънчеви колектори са изпълнени с такава ширина, че да стъпват върху носещи ребра 22 на покривната конструкцията сградата, като по този начин натоварването от масата на колекторите и от циркулиращия в тях топлоабсорбиращ флуид се предава директно на носещите ребра 22, а оттам и на останалата част от конструкцията на покрива, която не е показана на фигура. За монтиране на отделните колектори върху съществуващата покривна конструкция се закрепват летви 23, които служат като подпора в долния край на всеки плосък слънчев колектор. По периферията на системата от плоски слънчеви колектори към дъсчената обшивка 21 са прикрепени дървени греди 24, с което се подпомага монтирането на крайните укрепващи лайсни 9, които притискат използвания хидроизолационен слой 25 към дървените греди 24. Останалите укрепващи лайсни 9 фиксират отделните колектори на системата към съществуващата конструкция с помощта на уплътнителите 10 и крепежните елементи 11. Укрепващите лайсни 9 заедно с уплътнителите 10 имат едновременно укрепва ща и уплътняваща функции. Те не позволяват проникване на дъждовна вода или сняг между отделните колектори.

Монтаж на система от плоски слънчеви колектори върху сграда с плосък покрив е показан на фиг.6. При този тип монтаж системата от колектори се монтира върху рамка 17, която е окачена подвижно върху носещата стойка 16, снабдена с крака, които позволяват нивелиране на конструкцията и осъществяване на връзка със съществуващата покривна конструкция на сградата. Подвижната рамка 17 позволява системата от монтирани върху нея колектори да следят движението на слънцето по едната ос. Следенето се извършва, като се променя ъгълът между рамката 17 и носещата конструкция 16. Изменението на този ъгъл се извършва с помощта на използван винтовошарнирен механизъм 18, чието привеждане в движение се осъществява чрез електрически двигател 26, който е свързан към винтово-шарнирния механизъм 18 чрез червячна предавка 27, която позволява изменение на ъгъла между рамката 17 и носещата стойка 16 само с помощта на манивела и без наличието на електрическия двигател 26. При варианта, даден на фиг. 6, отделните плоски слънчеви колектори, влизащи в състава на системата, се монтират към рамката 17 посредством укрепващите лайстни 9, уплътнителите 10 и крепежните елементи 11 по начин, аналогичен на този показан на фигури 4 и 5. Топлоабсорбиращият флуид се подава към системата от плоски слънчеви колектори по подаващата тръба 13, която е свързана с акумулиращия съд, непоказан на фигурата. За да могат слънчевите колектори, монтирани върху рамката 17, да се свържат към подаващата тръба 13 се използва гъвкава връзка 19, която е изработена от тефлон, силикон или каучук така, че да може издържа на работните температури на използвания флуид и на атмосферните въздействия. Гъвкавата връзка 19 е с гофрирани стени, така че при изменение ъгъла на системата от колектори да не се променя нейното напречното сечение. Другият край на гъвкавата връзка 19 е свързан към продължението на подаващата тръба 13, която насочва топлоабсорбиращия флуид едновременно към всички щуцери за връзка на съставните събирателните колектори 7 на сис темата. Изходът на всички корпуси на слънчевите колектори е свързан към връщащата тръба 14, която е прикрепена към обратната страна на рамката 17. В долния край на рамката 17 връщащата тръба 14 е прекъсната и е свързана с гъвкавата връзка 19 към продължението на връщащата тръба 14, която отвежда топлоабсорбиращия флуид обратно в акумулиращия съд, непоказан на фигура. Всички участъци на подаващата тръба 13 и връщащата тръба 14 са монтирани към конструкцията на носещата стойка 16 под наклон, който позволява при спиране работата на циркулационната помпа, непоказана на фигурите, топлоабсорбиращият флуид да се източва под действие на гравитацията обратно в акумулиращия съд, непоказан на фигурите. По този начин се постига пълно източване на системата от колектори, на техните подаващи и връщащите тръби 13 и 14, които се намират в открити атмосферни условия върху сградите, поради което са подложени на замръзване. При описания вариант на изпълнение всички външни тръби на слънчевия колектор са топлоизолирани.

Съществени предимства на изобретението са, че се използва прост и икономичен начин за снижаване разходите и повишаване на коефициента на полезно действие на изгражданите плоски слънчеви колектори.

Снижаването на разходите за производство на слънчевите колектори се постига чрез използването на един и същ материал за изготвяне на горната поликарбонатна плоча 1, долната поликарбонатна плоча 3 и капака 8 на събирателния колектор 7. Използването на поликарбонатен материал, от който се изготвя основната част от конструкцията на плоския слънчев колектор, намалява значително неговата маса, като същевременно се гарантира висока механична здравина на конструкцията в широк температурен диапазон и висока пропускливост за слънчевата радиация. Намалената маса на конструкцията на плоския слънчев колектор съответно намалява натоварването върху покривните конструкции на сградите и същевременно е предпоставка за бърз и лесен монтаж на отделните слънчеви колектори в система. Разположението една над друга на горната и долната поликарбонатни плочи 1, 3 позволява да се оформи втора топлоизолаци онна въздушна междина между тях, с което се подобрява допълнително топлоизолацията между топлоабсорбиращия флуид и околната среда. Хигроскопичното вещество 2, което е разположено в периферния прозрачен канал 401 и частично запълва прозрачните канали 101 на горната поликарбонатна плоча 1, поглъща влагата, при което се увеличава термичното съпротивление на двете въздушни междини и същевременно се увеличава тяхната пропускливост за слънчевата радиация. Селективното покритие 102, заедно с топлинния екран и отражателя 5, намаляват значително радиационните загуби от топлоабсорбиращия флуид към околната среда. Надлъжното разположение на прозрачните канали 101 от горната поликарбонатна плоча 1 по отношение на прозрачните канали 301 на долната поликарбонатна плоча 3, в които тече топлоабсорбиращият флуид, спомага за намаляване загубите от конвекция в прозрачните канали 101. Конструкцията на събирателния колектор 7, който също е изработен от поликарбонатна пластмаса, спомага за пълното източване на топлоабсорбиращия флуид при спиране работата на колектора, което увеличава допълнително коефициента на полезно действие на слънчевия колектор и предпазва топлоабсорбиращия флуид от замръзване или закипяване. Използването на молекулярен воден разтвор на черна боя, като топлоабсорбиращ флуид намалява пропускливостта на долната поликарбонатна плоча 3, ограничава разсейването на слънчевата светлина и увеличава ефективността при нейното поглъщане и преобразуване в топлина. Съществено предимство на изобретението е използването на дестилирана вода като основна съставка на топлоабсорбиращият флуид. Това позволява акумулирането на по-големи количества топлинна енергия в единица обем от акумулиращия съд, непоказан на фигурите, поради по-високия топлинен капацитет на дестилираната вода, която е химически различна от досега използваните за тази цел топлоабсорбиращи флуиди като антифриз или спирт. Това е особено благоприятно при експлоатация на предложения слънчев колектор, тъй като няма опасност при евентуално прегряване на флуида да се получи отделяне на токсични компоненти. Така отпада необходимостта от използване на топлообменен апарат между акумулиращия съд и контура на съставните колектори, с което допълнително се увеличава коефициента на полезно действие на цялата модулна колекторна система.

Приложение на изобретението

Предложената конструкция на плосък слънчев колектор, в съответствие с изобретението, позволява да се използва като съставен елемент от слънчеви термични инсталации, монтирани на наклонени или плоски покриви, а също така и във вертикално положение върху фасадите на сградите. Предложената конструкция позволява да се заменят класическите покривни материали и на тяхно място да се постави плосък слънчев колектор, който да изпълнява едновременно защитна и топлоизолационна функция като преобразува слънчевата радиация, когато е необходимо в топлинна енергия за различни нискотемпературни процеси използвани за битови, обществени, а също така и за някои промишлени нужди, където е необходимо нагряване или акумулиране на вода за отопление и горещо водоснабдяване.

Claims (3)

1. Патентни претенции

   1. Плосък слънчев колектор, съставен от горна поликарбонатна плоча и от долна пластмасова плоча с оформени множество паралелни канали, чиито вход и изход са свързани към събирателни колектори, които представляват вход и изход за протичащия в паралелните канали топлоабсорбиращ флуид,като горната и долната плочи са разположени една над друга с образувана между тях въздушна междина, характеризиращ се с това, че долната пластмасова плоча е изпълнена като поликарбонатна плоча (3), при което горната поликарбонатна плоча (1) е съставена от множество паралелни прозрачни канали (101), а въздушната междина (4) е оформена от периферен прозрачен канал (401), разположен по околните ръбове на горната и долната поликарбонатни плочи (1), (3), който периферен прозрачен канал (401) е напълнен с хигроскопично вещество (2), с което са запълнени частично и прозрачните канали (101) на горната поликарбонатна плоча (1), при което върху долната повърхност на горната поликарбонатна плоча (1) е нанесено тънкослойно селективно покритие (102), а под долната поликарбонатна плоча (3) са разположени последователно топлинен екран с отражател (5) и топлоизолационен слой (6).
2. 2. Плосък слънчев колектор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че събирателните колектори (7) са изпълнени с наклонено дъно.
3. 3. Плосък слънчев колектор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че топлоабсорбиращият флуид представлява молекулярен воден разтвор на черна боя.