RU2113661C1

RU2113661C1 - Solar panel

Info

Publication number: RU2113661C1
Application number: RU96109858/06A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Ефремов; Д.А. Минасбеков; И.А. Кочнев; А.С. Смирнов; Б.И. Кушнер
Original assignee: Научно-производственное объединение машиностроения
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1996-05-15
Publication date: 1998-06-20

Abstract

FIELD: solar engineering; heating greenhouses, buildings, and structures, such as dryers for farm products. SUBSTANCE: Solar panel has two transparent screens and case. Internal screen facing object to be heated is coated with selective light-transmitting material of low degree of blackness; solar panel screens are spaced apart at optimal distance; selective light-transmitting coating is applied to internal screen on side facing external screen. EFFECT: improved thermal protection of object being heated. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области гелиотехники и может быть использовано как средство обогрева теплиц, зданий и сооружений, например, сушилок сельскохозяйственной продукции. The invention relates to the field of solar technology and can be used as a means of heating greenhouses, buildings and structures, for example, dryers for agricultural products.

Наиболее близкой к изобретению является солнечная панель, содержащая размещенные в корпусе с зазором между ними два прозрачных экрана, первый из которых сориентирован к Солнцу, а на поверхности второго нанесено селективное светопрозрачное покрытие с малой степенью черноты (авт. св. СССР N 918708, F 24 J 2/50, 1982). Closest to the invention is a solar panel containing two transparent screens placed in a housing with a gap between them, the first of which is oriented to the Sun, and a selective translucent coating with a low degree of blackness is applied to the surface of the second (ed. St. USSR N 918708, F 24 J 2/50, 1982).

Недостатком известной панели является малоэффективная тепловая защита и в итоге незначительное использование солнечной энергии. A disadvantage of the known panel is the ineffective thermal protection and, as a result, the insignificant use of solar energy.

Для устранения указанных недостатков в солнечной панели, содержащей размещенные в корпусе два прозрачных установленных с зазором экрана, первый из которых сориентирован к Солнцу, на поверхности второго экрана нанесено селективное светопрозрачное покрытие с малой степенью черноты, светопрозрачное покрытие расположено на поверхности второго экрана, обращенной к первому экрану, а зазор между экранами определен из соотношения
δ = 0,10 - 0,11 F/П,
где F - площадь светоприемной поверхности панели, м²;
П - периметр светоприемной поверхности панели, м.To eliminate these shortcomings in the solar panel, which contains two transparent screens installed with a gap, the first of which is oriented to the Sun, a selective translucent coating with a small degree of blackness is applied on the surface of the second screen, a translucent coating is located on the surface of the second screen facing the first to the screen, and the gap between the screens is determined from the ratio
δ = 0.10 - 0.11 F / P,
where F is the area of the light receiving surface of the panel, m ² ;
P - perimeter of the light receiving surface of the panel, m

Предлагаемое устройство - солнечная панель (СП), пропуская солнечный поток к объекту обогрева, является в то же время хорошим теплоизолятором, так как оптимальный воздушный зазор между экранами и малая степень черноты селективного светопрозрачного покрытия на внутреннем экране обеспечивают минимальные тепловые потери от объекта обогрева через СП в окружающую среду. The proposed device - the solar panel (SP), passing the solar stream to the object to be heated, is at the same time a good heat insulator, since the optimal air gap between the screens and the small degree of blackness of the selective translucent coating on the inner screen provide minimal heat loss from the object of heating through the SP into the environment.

Селективное светопрозрачное покрытие представляет собой тончайшую просветленную металлическую пленку, наносимую на поверхность светопрозрачного экрана (Колтун М. М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. - М.: Наука, 1979, с. 171-178). The selective translucent coating is the thinnest enlightened metal film deposited on the surface of the translucent screen (Koltun M. M. Selective optical surfaces of solar energy converters. - M .: Nauka, 1979, p. 171-178).

В частности, стеклянные экраны с пленками ZnS + Ag + ZnS и ZnS + Cu + ZnS имеют при светопропускании D_s = 0,63 - 0,68 степень черноты E = 0,06 - 0,1. При покрытии этих пленок светопрозрачным лаком на основе фторсополимеров (с целью защиты пленок от внешних воздействий) степень черноты может увеличиваться до 0,2.In particular, glass screens with ZnS + Ag + ZnS and ZnS + Cu + ZnS films have a light transmission E = 0.06 - 0.1 with a light transmission of D _s = 0.63 - 0.68. When these films are coated with a translucent varnish based on fluoropolymers (in order to protect the films from external influences), the degree of blackness can increase to 0.2.

В предложенном устройстве для максимального пропускания солнечной энергии к объекту обогрева (и, следовательно, для максимального поглощения этим объектом солнечного излучения) следует иметь как можно больший коэффициент светопропускания D_s селективного покрытия, а для сокращения до минимума потерь тепловой энергии (которые происходят излучением) и наиболее эффективного использования СП в качестве теплоизоляции обогреваемого объекта необходимо использовать селективное покрытие с минимальной степенью черноты E. То есть имеет смысл использовать селективное покрытие с максимальным отношением D_s/E при максимальном значении D_s.In the proposed device for the maximum transmission of solar energy to the heating object (and, therefore, for the maximum absorption of solar radiation by this object), the maximum transmittance D _{s of the} selective coating should be as high as possible, and to minimize the loss of thermal energy (which occur by radiation) and the most effective use of the joint venture as a thermal insulation of the heated object, it is necessary to use selective coating with a minimum degree of blackness E. That is, it makes sense and use selective coating with a maximum D _s / E ratio at a maximum D _s value.

Так как экран с селективным покрытием поглощает порядка 20% солнечной энергии, то его в СП с двумя прозрачными экранами надо устанавливать вторым по ходу солнечного потока, чтобы использовать поглощенную солнечную энергию для повышения температуры этого экрана и создания, таким образом, барьера для уменьшения теплопотерь от обогреваемого объекта. Since a screen with a selective coating absorbs about 20% of solar energy, it should be installed second in the direction of the solar flux in a joint venture with two transparent screens in order to use the absorbed solar energy to increase the temperature of this screen and thus create a barrier to reduce heat loss from heated object.

На внешнем (первом) экране селективное покрытие наносить нецелесообразно, так как в этом случае поглощенная внешним экраном солнечная энергия будет с минимальным термическим сопротивлением отдаваться окружающей среде, т.е. практически теряться. It is not practical to apply selective coating on the external (first) screen, since in this case the solar energy absorbed by the external screen will be transferred to the environment with minimal thermal resistance, i.e. practically get lost.

Селективное покрытие более рационально размещать на втором экране (ближнем к обогреваемому объекту) на поверхности, обращенной к первому экрану при оптимальной величине зазора между экранами. It is more rational to place the selective coating on the second screen (closest to the heated object) on the surface facing the first screen with the optimal gap between the screens.

Это объясняется тем, что, во-первых, селективное покрытие надо защитить при транспортировании, хранении, монтаже и при эксплуатации СП на обогреваемом объекте, исключив возможность контакта покрытия со средой объекта. Во-вторых, при таком расположении селективного покрытия термическое сопротивление конвекции зазора между экранами будет больше термического сопротивления конвекции зазора между обогреваемым объектом и вторым (внутренним) экраном, так как при установке предлагаемой СП на стены зданий или сооружений зазор между вторым экраном и стеной меньше зазора между экранами (это необходимо для исключения значительных теплопотерь через боковую поверхность СП). This is because, firstly, the selective coating must be protected during transportation, storage, installation and operation of the joint venture on a heated object, eliminating the possibility of contact of the coating with the environment of the object. Secondly, with this arrangement of the selective coating, the thermal resistance of the convection of the gap between the screens will be greater than the thermal resistance of the convection of the gap between the heated object and the second (internal) screen, since when the proposed joint venture is installed on the walls of buildings or structures, the gap between the second screen and the wall is smaller than the gap between screens (this is necessary to eliminate significant heat loss through the side surface of the joint venture).

В случае установки СП в теплицах или чердаках термическое сопротивление конвекции зазора между экранами также будет больше термического сопротивления конвекции между обогреваемым объектом и вторым экраном, несмотря на то, что величина зазора между обогреваемым объектом и вторым экраном, как правило, значительно больше зазора между экранами. Это объясняется наличием развитой поверхности обогреваемого объекта (например, значительной листовой поверхностью растений теплицы), что приводит к повышенной теплоотдаче конвекций от объекта и к снижению за счет этого термического сопротивления между объектами и вторым экраном. In the case of installing a joint venture in greenhouses or attics, the thermal resistance of convection of the gap between the screens will also be greater than the thermal resistance of convection between the heated object and the second screen, despite the fact that the gap between the heated object and the second screen is usually much larger than the gap between the screens. This is due to the presence of a developed surface of the heated object (for example, a significant leaf surface of greenhouse plants), which leads to increased heat transfer of convection from the object and to a decrease due to this thermal resistance between the objects and the second screen.

Оптимальная величина зазора между экранами определена с учетом условия обеспечения минимальных потерь теплового потока от обогреваемого объекта через СП. The optimal size of the gap between the screens is determined taking into account the conditions for ensuring minimum heat loss from the heated object through the joint venture.

Потери теплового потока от второго экрана с селективным покрытием осуществляются излучением и конвекцией воздуха к первому экрану и к боковой поверхности корпуса СП. При этом принимая температуру внешнего экрана и стенок корпуса между экранами одинаковой, зависимостью потерь теплового потока излучением от величины зазора можно пренебречь. Loss of heat flow from the second screen with selective coating is carried out by radiation and convection of air to the first screen and to the side surface of the joint venture. Moreover, assuming the temperature of the external screen and the walls of the case between the screens to be the same, the dependence of the heat flux loss by radiation on the gap size can be neglected.

Так как площадь поверхности экрана с селективным покрытием, передающая тепловой поток к стенкам корпуса (и зависящая от теплопроводности экрана), не может выйти за пределы диапазона от нуля до площади поверхности корпуса между экранами, то длина пути теплового потока от экрана с селективным покрытием до середины стенки корпуса между экранами не выходит за пределы от δ /2 до δ /1,3 где δ - величина зазора между экранами. Since the surface area of the screen with a selective coating that transfers heat flux to the walls of the case (and depends on the thermal conductivity of the screen) cannot go beyond the range from zero to the surface area of the case between the screens, the path length of the heat flux from the screen with selective coating to the middle the walls of the case between the screens does not go beyond δ / 2 to δ / 1.3 where δ is the gap between the screens.

С увеличением зазора величина теплового потока, передаваемого между экранами, уменьшается, а между экраном с селективным покрытием и стенкой корпуса растет за счет увеличения площади стенки корпуса. With an increase in the gap, the heat flux transferred between the screens decreases, and between the screen with a selective coating and the wall of the housing increases due to an increase in the area of the wall of the housing.

Тепловой поток, уходящий конвекцией от экрана с селективным покрытием через внешнюю поверхность СП (через внешний экран и корпус между экранами) в окружающую среду, можно записать в виде

где Q - тепловой поток, Вт;
A - коэффициент пропорциональности, Вт/м^1,9;
F - площадь светоприемной поверхности СП, м²;
δ - зазор между экранами, м,
П - периметр светоприемной поверхности панели, м;
Z - коэффициент, учитывающий размер зазора и равный 1,3 или 2.The heat flux emanating by convection from the screen with selective coating through the outer surface of the joint venture (through the external screen and the housing between the screens) into the environment can be written as

where Q is the heat flux, W;
A - coefficient of proportionality, W / m ^1.9 ;
F is the area of the light receiving surface of the joint venture, m ² ;
δ is the gap between the screens, m,
P - perimeter of the light receiving surface of the panel, m;
Z - coefficient taking into account the size of the gap and equal to 1.3 or 2.

После дифференцирования (1) по δ и приравнивания результата к нулю получено уравнение для нахождения оптимальной величины зазора δ (в данном случае оптимум - минимум функции Q)

Подставляя в (2) значение Z, получаем следующее выражение для определения величины оптимального зазора:
δ = 0,10....0,11F/П. (3)
Предложенная солнечная панель показана на чертеже.After differentiating (1) with respect to δ and equating the result to zero, an equation is obtained for finding the optimal value of the gap δ (in this case, the optimum is the minimum of the function Q)

Substituting the value Z in (2), we obtain the following expression for determining the value of the optimal gap:
δ = 0.10 .... 0.11F / P. (3)
The proposed solar panel is shown in the drawing.

Солнечная панель содержит корпус 1, внешний прозрачный 2 и внутренний 3 экраны, причем последний с селективным покрытием 4, обращенным навстречу солнечному потоку. Экраны расположены друг относительно друга на расстоянии δ. The solar panel comprises a housing 1, an outer transparent 2 and an inner 3 screens, the latter with a selective coating 4 facing the solar flux. The screens are located relative to each other at a distance of δ.

Работа солнечной панели происходит следующим образом. The operation of the solar panel is as follows.

Солнечный тепловой поток проходит через прозрачные экраны 2 и 3 к обогреваемому объекту. Экран 3 с селективным покрытием частично поглощает солнечный тепловой поток, за счет этого температура его повышается и тем самым сокращается тепловой поток от обогреваемого объекта к панели из-за уменьшения разности температур между ними. Solar heat flux passes through the transparent screens 2 and 3 to the heated object. The screen 3 with a selective coating partially absorbs the solar heat flux, due to this, its temperature rises and thereby reduces the heat flux from the heated object to the panel due to a decrease in the temperature difference between them.

Зазор выбран оптимальным с позиции уменьшения тепловых потерь конвекцией, что в сочетании с малой степенью черноты селективного покрытия 4 делает его (зазор) барьером для прохождения теплового потока от экрана 3 с селективным покрытием к внешнему экрану 2 и корпусу 1 между экранами 2, 3 и далее в окружающую среду. The gap is chosen optimal from the standpoint of reducing heat loss by convection, which in combination with a small degree of blackness of the selective coating 4 makes it (the gap) a barrier for the passage of heat flow from the screen 3 with the selective coating to the outer screen 2 and the housing 1 between the screens 2, 3 and further into the environment.

Таким образом, представленная солнечная панель эффективно функционирует, пропуская солнечный тепловой поток к обогреваемому объекту и запирая уходящий от объекта тепловой поток. Thus, the presented solar panel functions efficiently by passing the solar heat flux to the heated object and locking the heat flux leaving the object.

Положительный эффект предложенного устройства заключается в большей доле использования объектом обогрева солнечной энергии, сохраненной за счет сокращения тепловых потерь от объекта через солнечную панель в окружающую среду. The positive effect of the proposed device lies in the greater share of the use of solar energy by the heating object, which was saved by reducing heat loss from the object through the solar panel to the environment.

Дополнительное преимущество изобретения по сравнению с прототипом заключается в том, что в пасмурные и дождливые дни, когда солнечный тепловой поток мал, предложенное устройство, обладая лучшими теплоизоляционными свойствами, сокращает потери теплового потока от обогреваемого объекта. An additional advantage of the invention compared with the prototype is that on cloudy and rainy days when the solar heat flux is small, the proposed device, having better thermal insulation properties, reduces heat loss from the heated object.

Результаты проведенного оценочного расчета для прототипа и предложенной СП с селективным покрытием, имеющим коэффициент светопропускания 0,6 и степень черноты 0,2 (достаточно посредственное покрытие), установленных на расположенной на широте 45^o теплице для холодных зимних месяцев, показывают, что изобретение по сравнению с прототипом экономит в среднем тепловой поток плотностью 33 Вт/м². Следует отметить, что при использовании селективного покрытия со значением коэффициента светопропускания, большим 0,6 и степенью черноты меньшей 0,2, положительный эффект будет еще выше.The results of the estimated calculation for the prototype and the proposed joint venture with a selective coating having a light transmission coefficient of 0.6 and a degree of blackness of 0.2 (fairly mediocre coverage) installed in a greenhouse located at latitude 45 ^o for the cold winter months show that the invention is compared with the prototype saves an average of 33 W / m ² heat flux. It should be noted that when using selective coating with a light transmission coefficient greater than 0.6 and a degree of blackness less than 0.2, the positive effect will be even higher.

Claims

A solar panel containing two transparent screens placed in a case with a gap between them, the first of which is oriented to the Sun, and a selective translucent coating with a low degree of blackness is applied on the surface of the second, characterized in that the selective coating is located on the surface of the second screen facing the first to the screen, and the gap between the screens is determined from the ratio
δ = 0.10 - 0.11 F / P,
where F is the area of the light receiving surface of the panel, m ² ;
P - perimeter of the light receiving surface of the panel, m