RU164878U1

RU164878U1 - SOLAR COLLECTOR

Info

Publication number: RU164878U1
Application number: RU2015156678/06U
Authority: RU
Inventors: Олег Сергеевич Попель; Семен Ефимович Фрид; Андрей Владимирович Арсатов; Михаил Юрьевич Ощепков; Сергей Васильевич Мартовский
Priority date: 2015-12-29
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2016-09-20

Abstract

Солнечный коллектор, содержащий корпус, теплоизоляцию, расположенную в нижней части корпуса, теплоприемную панель, образованную с верхней стороны пластиной, герметично скрепленной с боковыми сторонами корпуса, а с нижней стороны каналами для прокачки теплоносителя, выполненными в виде углублений и выступов на верхней поверхности теплоизоляции, и светопрозрачное ограждение, расположенное над теплоприемной панелью с воздушным зазором и плотно соединенное с боковыми стенками корпуса, отличающийся тем, что корпус, его боковые стенки и теплоизоляция выполнены воедино из одного прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала, верхняя пластина теплоприемной панели дополнительно плотно и прочно соединена с выступами на верхней поверхности теплоизоляции, выполнена из высокотеплопроводного материала и ее поверхность, обращенная к светопрозрачному ограждению, снабжена эффективно поглощающим солнечное излучение покрытием.A solar collector comprising a housing, thermal insulation located in the lower part of the housing, a heat-receiving panel formed on the upper side by a plate sealed to the sides of the housing, and on the lower side by channels for pumping the coolant, made in the form of recesses and protrusions on the upper surface of the thermal insulation, and a translucent fence located above the heat-receiving panel with an air gap and tightly connected to the side walls of the housing, characterized in that the housing, its side walls and loizolyatsiya formed together from a single non-hygroscopic durable insulation material, the upper plate is further heat-receiving panel tightly and fixedly connected with the tabs on the upper surface of the insulation, it is made of high thermal conductivity material and its surface facing the translucent the enclosure is provided with effectively absorbing solar radiation coating.

Description

Предлагаемая конструкция солнечного коллектора относится к устройствам, преобразующим энергию солнечного излучения в низкопотенциальное тепло, в частности, в тепло нагреваемой воды.The proposed design of the solar collector relates to devices that convert the energy of solar radiation into low-grade heat, in particular, into the heat of heated water.

Известен плоский солнечный коллектор (Bayley W.J. Solar Heater. US Patent 966070. 1910), состоящий из заключенной в снабженный прозрачным ограждением корпус теплоприемной панели, присоединенной к параллельно соединенным по концам гидравлическими коллекторами трубкам, по которым течет вода. Верхняя поверхность теплоприемной панели покрывают слоем краски или специальным покрытием, хорошо поглощающим солнечное излучение, теплоприемную панель теплоизолируют от окружающей среды снизу и по бокам теплоизоляционным материалом, размещаемым в корпусе. Разнообразные конструкции солнечных коллекторов подробно описаны в книге Даффи Дж., Бекман У. Основы солнечной теплоэнергетики. Пер. с англ. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект». 2013. 888 с.Known flat solar collector (Bayley W.J. Solar Heater. US Patent 966070. 1910), consisting of a heat-receiving panel enclosed in a transparent enclosure, connected to tubes parallel to the ends of the hydraulic collectors through which water flows. The upper surface of the heat-receiving panel is covered with a layer of paint or a special coating that absorbs solar radiation well; the heat-receiving panel is insulated from the environment from below and on the sides by heat-insulating material placed in the case. The various designs of solar collectors are described in detail in a book by Duffy J., Beckman W. Fundamentals of Solar Thermal Power Engineering. Per. from English - Dolgoprudny: Intellect Publishing House. 2013.888 p.

Известны прокатно-сварные и штампосварные теплоприемные панели солнечного коллектора (Левин Г.В., Викторов Д.А. Теплоприемная панель солнечного коллектора. Патент РФ 2325599. Максименко А.А., Лобанов М.В., Ховив Д.А., Зайцев С.В., Харин А.Н. Теплоприемная панель солнечного коллектора. Патент РФ 2450217). Такие панели собираются из свариваемых друг с другом двух металлических листов, а каналы для теплоносителя выполняются профилированием поверхности в результате пластической деформации под действием внутреннего давления плоских листов после их сварки между собой или соединением листов с предварительно выштампованными в них элементами каналов. Основным недостатком солнечных коллекторов с такими панелями является использование в конструкции дорогого металла, из которого изготавливаются теплоприемные панели, и необходимость в несущем корпусе, что приводит к высокой стоимости солнечного коллектора и усложняет технологию его изготовления и сборки.Known rolling-welded and die-welded heat-receiving panels of the solar collector (Levin G.V., Viktorov D.A. Heat-receiving panel of the solar collector. RF patent 2325599. Maksimenko A.A., Lobanov M.V., Khoviv D.A., Zaitsev S.V., Kharin A.N. Heat-receiving panel of a solar collector (RF Patent 2450217). Such panels are assembled from two metal sheets welded to each other, and the channels for the coolant are formed by profiling the surface as a result of plastic deformation under the influence of internal pressure of the flat sheets after they are welded together or by connecting the sheets with channel elements pre-stamped into them. The main disadvantage of solar collectors with such panels is the use of expensive metal, from which heat-receiving panels are made, and the need for a load-bearing housing, which leads to the high cost of the solar collector and complicates the technology of its manufacture and assembly.

Наиболее близким к предлагаемой конструкции является солнечный коллектор (Gough E.W., Irwin P.D. Plastic solar heater. US Patent 3076450), содержащий корпус, теплоизоляцию, расположенную в нижней части корпуса, теплоприемную панель, образованную с верхней стороны пластиной, герметично скрепленной с боковыми стенками корпуса, а с нижней стороны каналами для прокачки теплоносителя, выполненными в виде углублений и выступов на верхней поверхности теплоизоляции, и светопрозрачное ограждение, расположенное над теплоприемной панелью с воздушным зазором и плотно соединенное с боковыми стенками корпуса. Основными недостатками этого устройства являются невысокая эффективность из-за использования пластины из пластика с низкой теплопроводностью, и неспособность выдерживать повышенное давление теплоносителя плоской поглощающей панелью, скрепленной только с боковыми стенками корпуса. Недостатком конструкции также является наличие самостоятельного металлического корпуса, в котором размещена теплоизоляция и теплоприемная панель и к которому крепится светопрозрачное покрытие, что усложняет конструкцию и технологию сборки солнечного коллектора. Дополнительным недостатком является большая емкость каналов, что снижает эффективность нагрева теплоносителя. В результате применение предлагаемой конструкции ограничивается только нагревом с его помощью воды при низком давлении для плавательных бассейнов.Closest to the proposed design is a solar collector (Gough EW, Irwin PD Plastic solar heater. US Patent 3076450), comprising a housing, thermal insulation located in the lower part of the housing, a heat-receiving panel formed on the upper side by a plate sealed to the side walls of the housing, and on the lower side of the channels for pumping the coolant, made in the form of recesses and protrusions on the upper surface of the insulation, and a translucent fence located above the heat-receiving panel with an air gap and tightly connected worn with side walls of the housing. The main disadvantages of this device are its low efficiency due to the use of a plastic plate with low thermal conductivity, and the inability to withstand the increased pressure of the coolant with a flat absorbing panel bonded only to the side walls of the housing. A design flaw is also the presence of an independent metal case, in which thermal insulation and a heat-receiving panel are placed and to which a translucent coating is attached, which complicates the design and assembly technology of the solar collector. An additional disadvantage is the large capacity of the channels, which reduces the heating efficiency of the coolant. As a result, the use of the proposed design is limited only by heating with its help water at low pressure for swimming pools.

Предлагаемая конструкция решает техническую задачу повышения эффективности и прочности солнечного коллектора, повышения рабочего давления теплоносителя, упрощения технологии изготовления солнечного коллектора и снижения его стоимости.The proposed design solves the technical problem of increasing the efficiency and strength of the solar collector, increasing the working pressure of the coolant, simplifying the manufacturing technology of the solar collector and reducing its cost.

Указанный технический результат достигается тем, что в солнечном коллекторе, содержащем корпус, теплоизоляцию, расположенную в нижней части корпуса, теплоприемную панель, образованную с верхней стороны пластиной, герметично скрепленной с боковыми стенками корпуса, а с нижней стороны каналами для прокачки теплоносителя, выполненными в виде углублений и выступов на верхней поверхности теплоизоляции, и светопрозрачное ограждение, расположенное над теплоприемной панелью с воздушным зазором и плотно соединенное с боковыми стенками корпуса, корпус, его боковые стенки и теплоизоляция выполнены воедино из одного прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала, верхняя пластина тепло-приемной панели дополнительно плотно и прочно соединена с выступами на верхней поверхности теплоизоляции, выполнена из высокотеплопроводного материала, и ее поверхность, обращенная к светопрозрачному ограждению, снабжена эффективно поглощающим солнечное излучение покрытием.The specified technical result is achieved by the fact that in the solar collector containing the casing, thermal insulation located in the lower part of the casing, a heat-receiving panel formed on the upper side by a plate sealed to the side walls of the casing, and on the lower side by channels for pumping the coolant, made in the form recesses and protrusions on the upper surface of the insulation, and a translucent fence located above the heat-receiving panel with an air gap and tightly connected to the side walls of the housing a, the housing, its side walls and thermal insulation are made of one durable non-absorbent heat-insulating material, the upper plate of the heat-receiving panel is additionally tightly and firmly connected to the protrusions on the upper surface of the thermal insulation, made of highly heat-conducting material, and its surface facing the translucent enclosure, equipped with an effective solar absorption coating.

Предлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность работы солнечного коллектора в результате более эффективного поглощения солнечного излучения верхней пластиной панели, выполненной из высокотеплопроводного материала (металлическая фольга, композит с внедренными в него углеродными волокнами и т.п.) и дополнительно снабженной эффективно поглощающим солнечное излучение покрытием. Повышение прочности солнечного коллектора и повышение рабочего давления теплоносителя обеспечивается в результате дополнительного плотного и прочного соединения пластины теплоприемной панели с выступами на верхней поверхности теплоизоляции. Упрощение технологии изготовления солнечного коллектора и снижение его стоимости обеспечивается в результате выполнения корпуса, его боковых стенок и теплоизоляция воедино из одного прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала. Такое техническое решение позволяет изготавливать солнечный коллектор всего из трех компонентов: прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала, из которого формуется корпус с боковыми стенками, а также с выемками и выступами на верхней его поверхности, образующими каналы для прокачки теплоносителя, пластины теплоприемной панели, плотно и прочно соединяемой с боковыми стенками и выступами с помощью, например, клеевого соединения или, и сетопрозрачного ограждения, плотно соединяемого с боковыми стенками корпуса, например, с использованием выполненных в теплоизоляционном материале при формовании специальных пазов. Сокращение числа компонентов солнечного коллектора упрощает его конструкцию, технологию изготовления и снижает стоимость. Расширяются ниши применения солнечного коллектора не только для нагрева воды для плавательных бассейнов, но и для нагрева воды и других жидких теплоносителей с повышенным давлением (системы горячего водоснабжения и отопления домов и других объектов и т.п.).The proposed design allows to increase the efficiency of the solar collector as a result of more efficient absorption of solar radiation by the upper plate of the panel made of highly heat-conducting material (metal foil, composite with carbon fibers embedded in it, etc.) and additionally equipped with a coating that effectively absorbs solar radiation. Increasing the strength of the solar collector and increasing the working pressure of the coolant is provided as a result of an additional dense and durable connection of the plate of the heat-receiving panel with the protrusions on the upper surface of the thermal insulation. Simplification of the manufacturing technology of the solar collector and lowering its cost is ensured by the implementation of the housing, its side walls and thermal insulation together from one durable non-absorbent thermal insulation material. Such a technical solution makes it possible to produce a solar collector with only three components: a durable non-absorbent heat-insulating material, from which the body is formed with side walls, as well as with recesses and protrusions on its upper surface, forming channels for pumping the heat carrier, plates of the heat-receiving panel, tightly and firmly connected with side walls and protrusions using, for example, an adhesive joint or, and a transparent curtain, tightly connected to the side walls of the housing, for example, and using made in heat-insulating material when forming special grooves. Reducing the number of components of the solar collector simplifies its design, manufacturing technology and reduces cost. The niches of using the solar collector are expanding not only for heating water for swimming pools, but also for heating water and other liquid heat carriers with high pressure (hot water supply and heating systems for houses and other facilities, etc.).

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг. 1 и 2.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the circuit shown in FIG. 1 and 2.

Солнечный коллектор содержит корпус 1, теплоизоляцию 2, расположенную в нижней части корпуса, теплоприемную панель 3, образованную с верхней стороны пластиной 4, герметично закрепленной с боковыми стенками корпуса 5, а с нижней стороны каналами 6 для прокачки теплоносителя, выполненными в виде углублений 7 и выступов 8 на верхней поверхности теплоизоляции, и светопрозрачное ограждение 9, расположенное над тепло-приемной панелью 3 с воздушным зазором 10 и плотно соединенное с боковыми стенками корпуса 5. При этом корпус 1, его боковые стенки 5 и теплоизоляция 2 выполнены воедино из одного прочного негигроскопичного теплоизоляционного материала, верхняя пластина 4 теплоприемной панели 3 дополнительно плотно и прочно соединена с выступами 8 на верхней поверхности теплоизоляции 2, выполнена из высокотеплопроводного материала и ее поверхность, обращенная к светопрозрачному ограждению, снабжена эффективно поглощающим солнечное излучение покрытием 11.The solar collector includes a housing 1, thermal insulation 2, located in the lower part of the housing, a heat-receiving panel 3, formed on the upper side by a plate 4, hermetically fixed to the side walls of the housing 5, and on the lower side of the channels 6 for pumping the coolant, made in the form of recesses 7 and protrusions 8 on the upper surface of the insulation, and a translucent fence 9 located above the heat-receiving panel 3 with an air gap 10 and tightly connected to the side walls of the housing 5. In this case, the housing 1, its side walls 5 and those the flat insulation 2 is made together of one durable non-absorbent heat-insulating material, the upper plate 4 of the heat-receiving panel 3 is additionally tightly and firmly connected to the protrusions 8 on the upper surface of the thermal insulation 2, is made of highly heat-conducting material and its surface facing the translucent enclosure is equipped with an effective solar radiation-absorbing coating eleven.

Солнечный коллектор работает следующим образом.The solar collector works as follows.

Солнечное излучение, падающее на солнечный коллектор, проходит сквозь светопрозрачное ограждение 9 и воздушный зазор 10 и поглощается поглощающим солнечное излучение покрытием 11, нагревая пластину из теплопроводного материала 4. Тепло от нагретой пластины 4 вследствие прямого теплового контакта теплоносителя с внутренней поверхностью нагреваемой солнечным излучением пластины 4 передается теплоносителю, прокачиваемому через систему каналов 6. Из зон плотного и прочного соединения пластины 4 с выступами 8 тепло по пластине, выполненной из высокотеплопроводного материала, теплопроводностью передается в прилегающие зоны пластины, находящиеся в прямом контакте с теплоносителем, и далее снимается теплоносителем. Нагретый теплоноситель направляется из солнечного коллектора потребителю.The solar radiation incident on the solar collector passes through the translucent enclosure 9 and the air gap 10 and is absorbed by the solar absorbing coating 11, heating the plate of heat-conducting material 4. Heat from the heated plate 4 due to direct thermal contact of the heat carrier with the inner surface of the solar-heated plate 4 transferred to the coolant pumped through the system of channels 6. From the zones of dense and durable connection of the plate 4 with the protrusions 8, heat along the plate made of highly heat-conducting material, thermal conductivity is transferred to the adjacent zone of the plate in direct contact with the coolant, and then removed by the coolant. Heated coolant is sent from the solar collector to the consumer.

Заявляемое техническое решение прошло проверку на основе расчетного и физического моделирования работы солнечного коллектора предлагаемой конструкции, а также на основе прочностных расчетов, выполненных в ОИВТ РАН.The claimed technical solution was tested on the basis of calculation and physical modeling of the solar collector of the proposed design, as well as on the basis of strength calculations performed at the Institute of Optical Optics.

Полученные результаты моделирования показали преимущества предлагаемой конструкции солнечного водонагревателя, позволяющей на 7…10% повысить эффективность его работы по сравнению с прототипом, а прочностной расчет подтвердил возможность работы коллектора при давлении теплоносителя до 1 МПа. Проработка технологии изготовления компонентов солнечного коллектора и его сборки, выполненная специализированной технологической компанией ЗАО «Политермо», показала возможность упрощения технологии производства и снижения стоимости солнечного коллектора в 1,5-2 раза.The obtained simulation results showed the advantages of the proposed design of a solar water heater, which allows to increase its efficiency by 7 ... 10% compared with the prototype, and the strength calculation confirmed the possibility of the collector working at a coolant pressure of up to 1 MPa. The development of the technology for manufacturing the components of the solar collector and its assembly, performed by the specialized technology company ZAO Polymermo, showed the possibility of simplifying the production technology and reducing the cost of the solar collector by 1.5-2 times.

Claims

A solar collector comprising a housing, thermal insulation located in the lower part of the housing, a heat-receiving panel formed on the upper side by a plate sealed to the sides of the housing, and on the lower side by channels for pumping the coolant, made in the form of recesses and protrusions on the upper surface of the thermal insulation, and a translucent fence located above the heat-receiving panel with an air gap and tightly connected to the side walls of the housing, characterized in that the housing, its side walls and loizolyatsiya formed together from a single non-hygroscopic durable insulation material, the upper plate is further heat-receiving panel tightly and fixedly connected with the tabs on the upper surface of the insulation, it is made of high thermal conductivity material and its surface facing the translucent the enclosure is provided with effectively absorbing solar radiation coating.