RU2250422C2

RU2250422C2 - Solar power plant for hot water supply and sun collector of such plant

Info

Publication number: RU2250422C2
Application number: RU2003100291/06A
Authority: RU
Inventors: В.С. Виноградов (RU); В.С. Виноградов
Original assignee: Виноградов Владимир Сергеевич
Priority date: 2003-01-04
Filing date: 2003-01-04
Publication date: 2005-04-20
Also published as: EA200301322A1; EA005300B1

Abstract

FIELD: solar power engineering.

SUBSTANCE: solar power plant includes solar battery having at least two solar heat collector mutually joined through branch pipe. Said collectors are provided with individual heat pickups and individual pipelines for discharging hot water out of them through connection branch pipes. Shut-off devices are mounted in zones of crossing of branch pipes and pipelines. Pipeline for supplying water from accumulating tank to solar battery includes water pump; accumulating tank includes two heat exchangers of different volumes. Heat exchanger of large volume is designed for water used for heating; heat exchanger of small volume is designed for water used for domestic purposes. Solar heat collector includes transparent panel; heat absorbing panel in the form of set of parallel metallic tubes for liquid heat transfer agent connected with lower surface of metallic radiant-energy absorbing sheet; heat insulation layer and supporting heat insulation panel. Parallel metallic tubes of heat absorbing panel are pressed-in to metallic radiant energy absorbing sheet, they are arranged along short sides of said sheet and mutually connected by means of tubes arranged along long sides of sheet. Supporting heat insulation panel, heat insulation layer, heat absorbing and transparent panels are fluid-tightly connected one to other for forming rigid structure construction, for example with use of bolts. On upper and lower surface of said construction along its perimeter metallic or polymeric shapes are mounted.

EFFECT: enhanced efficiency of using solar energy.

17 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности к солнечным тепловым коллекторам, и может быть применено в системах горячего водоснабжения жилых домов, объектов административно-бытового, производственного и сельскохозяйственного назначения.The invention relates to the field of solar technology, in particular to solar thermal collectors, and can be applied in hot water supply systems for residential buildings, administrative, industrial, and agricultural facilities.

Известна гелиоустановка, содержащая бак-аккумулятор, выполненный за одно целое с солнечным коллектором, причем стенка бака-аккумулятора, обращенная к солнечному коллектору, выполнена как отражающая солнечное излучение на коллектор. Кроме того, данная гелиоустановка содержит прямой трубопровод подачи воды из бака-аккумулятора в солнечный коллектор, обратный трубопровод отвода воды из солнечного коллектора в бак-аккумулятор, трубопровод подачи холодной воды в бак-аккумулятор и трубопровод отвода горячей воды из бака-аккумулятора к потребителю (авторское свидетельство СССР №1816937, кл. F 24 J 2/42, 1993).A known solar installation containing a storage tank, made in one piece with the solar collector, and the wall of the storage tank facing the solar collector is made as reflecting solar radiation to the collector. In addition, this solar installation contains a direct pipeline for supplying water from the storage tank to the solar collector, a return pipe for draining water from the solar collector to the storage tank, a cold water supply pipe to the storage tank, and a pipe for draining hot water from the storage tank to the consumer ( USSR author's certificate No. 1816937, class F 24 J 2/42, 1993).

Недостатком данной гелиоустановки является сложность ее конструкции, низкая производительность, значительные потери тепла в атмосферу через стенки трубопроводов и бака-аккумулятора, а также ограниченные возможности использования ее в народном хозяйстве в силу конструктивных особенностей.The disadvantage of this solar installation is the complexity of its design, low productivity, significant heat loss to the atmosphere through the walls of the pipelines and the storage tank, as well as the limited ability to use it in the national economy due to design features.

Известен солнечный тепловой коллектор, являющийся составной частью гелиоустановки, который содержит прозрачную верхнюю теплоизоляционную панель и две пластины из листового материала, скрепленные между собой по периметру с образованием полости для теплоносителя, соединенной с входным и выходным патрубками. В полости между пластинами вдоль их длинных сторон расположены проточные трубопроводы, прикрепленные к пластинам в местах их контакта путем пайки, сварки или клеевого соединения. При этом верхняя пластина с внешней стороны покрыта светопоглощающим материалом (патент России №2042088, кл. F 24 J 2/20, 1995).Known solar thermal collector, which is part of a solar installation, which contains a transparent upper thermal insulation panel and two plates of sheet material, bonded together around the perimeter with the formation of a cavity for the coolant connected to the inlet and outlet pipes. In the cavity between the plates along their long sides are flowing pipelines attached to the plates at their contact points by soldering, welding or adhesive bonding. Moreover, the upper plate on the outside is covered with a light-absorbing material (Russian patent No. 2042088, CL F 24 J 2/20, 1995).

Недостатком этого солнечного коллектора является невысокий коэффициент теплоотдачи от пластин к жидкости, находящейся в трубопроводах и полости между пластинами. Объясняется это тем, что, во-первых, трубопроводы и пластины имеют относительно небольшую поверхность контакта, так как соединены между собой только по образующим цилиндрической поверхности трубопроводов, а во-вторых, из-за того, что нижняя пластина малоэффективна как элемент нагрева воды. Поэтому равномерный нагрев теплоносителя в полости между пластинами обеспечиваться не будет.The disadvantage of this solar collector is the low heat transfer coefficient from the plates to the liquid located in the pipelines and the cavity between the plates. This is explained by the fact that, firstly, pipelines and plates have a relatively small contact surface, since they are interconnected only along the generatrix of the cylindrical surface of the pipelines, and secondly, due to the fact that the lower plate is ineffective as an element of water heating. Therefore, uniform heating of the coolant in the cavity between the plates will not be provided.

Наиболее близкой к заявляемой гелиоустановке по совокупности признаков является гелиоустановка горячего водоснабжения, которая содержит солнечный коллектор, бак-аккумулятор, трубопровод подачи воды из бака-аккумулятора в солнечный коллектор, трубопровод отвода воды из коллектора в бак-аккумулятор, трубопровод подачи холодной воды в бак-аккумулятор и трубопровод отвода горячей воды из бака-аккумулятора к потребителю, причем трубопровод подачи холодной воды в бак-аккумулятор и трубопровод подачи воды из бака-аккумулятора в солнечный коллектор присоединены к днищу бака-аккумулятора, а трубопровод отвода воды из солнечного коллектора в бак-аккумулятор и трубопровод отвода горячей воды из бака-аккумулятора к потребителю соединены с верхней частью бака-аккумулятора таким образом, что входят они в бак-аккумулятор через днище и поднимаются внутри бака вертикально вдоль длинных его сторон в верхнюю часть, где заканчиваются сливным и отборным концами (см. патент Украины №23837, кл. F 24 J 2/00, 1998).The closest to the claimed solar installation according to the set of features is a hot water solar installation, which contains a solar collector, a storage tank, a pipeline for supplying water from a storage tank to a solar collector, a pipeline for draining water from a collector to a storage tank, a cold water supply pipe for a battery and a hot water discharge pipe from the storage tank to the consumer, the cold water supply pipe to the storage tank and a water supply pipe from the storage tank to the solar the collector is connected to the bottom of the storage tank, and the drainage pipe from the solar collector to the storage tank and the hot water drainage pipe from the storage tank to the consumer are connected to the upper part of the storage tank so that they enter the storage tank through the bottom and rise inside the tank vertically along its long sides to the upper part, where they end with drain and selective ends (see Ukrainian patent No. 23837, class F 24 J 2/00, 1998).

Недостатком данной гелиоустановки является ее низкая эффективность за счет малого съема тепла в единицу времени и значительных потерь тепла в окружающую среду при транспортировании и хранении горячей воды из-за отсутствия теплоизоляционного покрытия на трубопроводах и баке-аккумуляторе. Кроме того, малая эффективность установки объясняется низкой скоростью циркуляции воды в ней, так как движение воды в системе происходит за счет разницы плотностей нагретой воды в коллекторе и холодной воды в баке-аккумуляторе. Конструкция данной гелиоустановки не позволяет накапливать ее в больших количествах и сохранять длительное время в период отсутствия солнечного излучения. Таким образом, данная гелиоустановка отличается малой мощностью, нагревает воду всего до 60°С и находится в большой зависимости от времени суток и погодных условий.The disadvantage of this solar installation is its low efficiency due to the small heat removal per unit time and significant heat loss to the environment during transportation and storage of hot water due to the lack of thermal insulation coating on pipelines and the storage tank. In addition, the low efficiency of the installation is explained by the low speed of water circulation in it, since the movement of water in the system occurs due to the difference in the densities of heated water in the collector and cold water in the storage tank. The design of this solar installation does not allow it to accumulate in large quantities and save a long time in the absence of solar radiation. Thus, this solar installation is characterized by low power, heats water to only 60 ° C and is very dependent on the time of day and weather conditions.

Ближайшим к заявляемому солнечному коллектору является солнечный тепловой коллектор, описанный в патенте Украины №20662, кл. 6 F 24 J 2/24, 1998, который содержит прозрачную верхнюю панель, теплоизоляционный слой, теплопоглощающую панель, выполненную в виде набора параллельных металлических труб для жидкостного теплоносителя, присоединенных к нижней поверхности металлического лучепоглощающего листа через ребра путем их сваривания, причем лучепоглощающий лист состоит из отдельных металлических элементов с цилиндрической поверхностью - сегментов, которые сверху имеют селективное покрытие.Closest to the claimed solar collector is a solar thermal collector described in Ukrainian patent No. 20662, cl. 6 F 24 J 2/24, 1998, which contains a transparent top panel, a heat-insulating layer, a heat-absorbing panel made in the form of a set of parallel metal pipes for a heat-transfer fluid connected to the lower surface of a metal beam-absorbing sheet through the ribs by welding them, and the beam-absorbing sheet consists from individual metal elements with a cylindrical surface - segments that have a selective coating on top.

Данный коллектор в целом снабжен патрубками для соединения с другими коллекторами и трубопроводами системы горячего водоснабжения.This collector is generally equipped with nozzles for connection with other collectors and pipelines of the hot water system.

Недостатком данного солнечного коллектора является сложность конструкции теплопоглощающей панели, для которой нужно изготовить отдельные металлические сегменты, соединить их вместе и прикрепить к нижней их поверхности трубную систему с помощью сваривания через ребра. Благодаря повышенной металло- и трудоемкости процесса изготовления этой профилированной панели себестоимость солнечного теплового коллектора возрастает. А соединение трубной системы с поглощающим солнечные лучи листом путем их сваривания через ребра не способствует повышению степени теплопередачи от металлического листа к находящейся в трубах воде, так как отсутствует непосредственный контакт труб с лучепоглощающим листом.The disadvantage of this solar collector is the complexity of the design of the heat-absorbing panel, for which it is necessary to manufacture separate metal segments, connect them together and attach the pipe system to their lower surface by welding through the ribs. Due to the increased metal and laboriousness of the manufacturing process of this profiled panel, the cost of the solar thermal collector increases. And the connection of the pipe system with the sheet absorbing the sun's rays by welding through the ribs does not increase the degree of heat transfer from the metal sheet to the water in the pipes, since there is no direct contact between the pipes and the radiation-absorbing sheet.

В основу изобретения поставлена задача создания такой конструкции гелиоустановки горячего водоснабжения, которая позволила бы повысить эффективность использования солнечного излучения для превращения его в тепловую энергию воды за счет увеличения полноты сбора лучистой энергии солнца нагреваемой поверхностью установки и полноты съема тепла с этой поверхности, а также создания условий избирательного отбора воды с максимальной температурой нагрева и улучшения степени сохранности горячей воды длительное время для бесперебойного снабжения потребителей горячей водой. Кроме того, задача изобретения состоит в создании гелиоустановки такой конструкции, которую можно было бы использовать в любых условиях эксплуатации, т.е. на любых широтах Северного и Южного полушария Земли, в любое время года и с установкой ее на поверхностях любой геометрической формы.The basis of the invention is the task of creating such a design of solar hot water supply system that would improve the efficiency of using solar radiation to turn it into heat energy of water by increasing the completeness of the collection of radiant energy of the sun by the heated surface of the installation and the completeness of heat removal from this surface, as well as creating conditions selective selection of water with a maximum heating temperature and improved degree of preservation of hot water for a long time for uninterrupted operation bzheniya consumer hot water. In addition, the objective of the invention is to create a solar installation of such a design, which could be used in any operating conditions, i.e. at any latitude of the Northern and Southern hemispheres of the Earth, at any time of the year and with its installation on surfaces of any geometric shape.

Обычно мощность гелиоустановки характеризуется температурой нагрева воды, поставляемой к потребителю, и производительностью горячего водоснабжения, т.е. необходимостью не только нагреть воду до заданной температуры, обеспечить поддержание этой температуры в течение всего периода ее потребления, но и обеспечить бесперебойное горячее водоснабжение. Для этого недостаточно объединить в солнечную батарею несколько солнечных тепловых коллекторов и отобранную из них горячую воду аккумулировать в большом баке. Температура воды, отобранной из коллекторов неодинаковой степени нагрева, будет усредняться, и при долгом хранении горячей воды в баке-аккумуляторе в период отсутствия солнечного излучения вода будет постепенно остывать, отдавая свое тепло в окружающую среду.Typically, solar power is characterized by the temperature of the water supplied to the consumer and the performance of the hot water supply, i.e. the need not only to heat water to a predetermined temperature, to maintain this temperature throughout the entire period of its consumption, but also to ensure uninterrupted hot water supply. To do this, it is not enough to combine several solar thermal collectors into a solar battery and accumulate the hot water selected from them in a large tank. The temperature of the water taken from the collectors of varying degrees of heating will be averaged, and if the hot water is stored for a long time in the storage tank during the absence of solar radiation, the water will gradually cool, transferring its heat to the environment.

Техническим результатом заявляемой гелиоустановки является повышение эффективности за счет увеличения полноты и скорости съема тепла солнечного излучения с нагреваемой поверхности путем применения избирательной системы отбора горячей воды из того коллектора солнечной батареи, в котором температура воды достигла наиболее высокого значения, и использования принудительного движения воды в системе, в результате чего ускоряется теплообмен между нагреваемой поверхностью и теплоносителем. Повышение эффективности гелиоустановки достигается также путем улучшения условий теплосбережения воды за счет конструктивных особенностей аккумулирующей емкости, снижения потерь тепла при транспортировании горячей воды и хранении ее на протяжении длительного времени путем использования теплоизоляции на средствах транспортирования и аккумулирования воды. К этому можно добавить увеличение полноты сбора лучистой энергии из солнечного потока за счет многовариантности конструктивного исполнения составляющих узлов и элементов гелиоустановки и условий установки ее на месте эксплуатации. Кроме вышеуказанного, следует отметить тот факт, что увеличение полноты и скорости превращения лучистой энергии солнца в тепловую энергию воды и бесперебойность работы установки в целом обеспечиваются программным электронным управлением всеми узлами и элементами гелиоустановки.The technical result of the claimed solar installation is to increase efficiency by increasing the completeness and speed of heat removal of solar radiation from the heated surface by applying a selective system for selecting hot water from the collector of the solar battery in which the water temperature has reached the highest value, and using forced movement of water in the system, as a result, heat transfer between the heated surface and the coolant is accelerated. Improving the efficiency of solar installation is also achieved by improving the conditions of heat conservation of water due to the design features of the storage tank, reducing heat loss during transportation of hot water and storing it for a long time by using thermal insulation on the means of transportation and storage of water. To this can be added an increase in the completeness of the collection of radiant energy from the solar stream due to the multivariance of the design of the components and elements of the solar installation and the conditions for installing it at the place of operation. In addition to the above, it should be noted that the increase in the completeness and speed of conversion of the radiant energy of the sun into thermal energy of the water and the uninterrupted operation of the installation as a whole are ensured by electronic programmed control of all nodes and elements of the solar installation.

Еще одной задачей изобретения является создание такой конструкции солнечного теплового коллектора, которая позволила бы повысить его теплопоглощающую способность за счет улучшения его теплотехнических характеристик.Another objective of the invention is the creation of such a design of the solar thermal collector, which would improve its heat-absorbing ability by improving its thermal characteristics.

Технический результат заявляемого солнечного коллектора заключается в улучшении его теплотехнических характеристик за счет повышения коэффициента теплоотдачи его теплопоглощающей панели путем увеличения поверхности контакта системы труб с теплоносителем и лучепоглощающего листа за счет соединения их методом горячего прессования, т.е. под действием температуры и давления, снижения коэффициента теплопотерь путем дополнительного изолирования корпуса коллектора и герметизации внутреннего пространства солнечного коллектора, а также увеличения его механической прочности путем создания конструкции жесткой структуры.The technical result of the claimed solar collector is to improve its heat engineering characteristics by increasing the heat transfer coefficient of its heat-absorbing panel by increasing the contact surface of the pipe system with the heat carrier and the radiation-absorbing sheet by connecting them by hot pressing, i.e. under the influence of temperature and pressure, reducing the heat loss coefficient by additionally insulating the collector body and sealing the inner space of the solar collector, as well as increasing its mechanical strength by creating a rigid structure design.

Первый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в гелиоустановке горячего водоснабжения, в состав которой входит солнечная батарея, включающая, по меньшей мере, два солнечных тепловых коллектора, соединенных между собой патрубком, бак-аккумулятор, трубопровод подачи воды из бака-аккумулятора в солнечную батарею, трубопровод отвода воды из солнечной батареи в бак-аккумулятор, трубопровод подачи холодной воды в бак-аккумулятор, трубопровод отвода горячей воды из бака-аккумулятора к потребителю, причем трубопровод подачи холодной воды в бак-аккумулятор и трубопровод подачи воды в солнечную батарею из бака-аккумулятора присоединены к донной части бака-аккумулятора, а трубопровод отвода воды из солнечной батареи в бак-аккумулятор и трубопровод отвода горячей воды из бака-аккумулятора к потребителю соединены с верхней частью бака-аккумулятора, в соответствии с изобретением каждый из коллекторов солнечной батареи снабжен индивидуальным тепловым датчиком и индивидуальным трубопроводом отбора из него горячей воды через соединительный патрубок, причем в местах пересечения патрубков и трубопроводов установлены запорные устройства, трубопровод подачи воды из бака-аккумулятора в солнечную батарею снабжен водяным насосом, а бак-аккумулятор содержит два теплообменника разного объема: большего - для воды, предназначенной для отопления, меньшего - для воды, пригодной для бытовых целей, при соотношении их объемов 4:1. Бак-аккумулятор и трубопроводы покрыты слоем теплоизоляции. Кроме того, солнечные коллекторы могут быть расположены на месте эксплуатации таким образом, что часть их установлена на вертикальных стенах здания с ориентацией с востока на запад, а остальные - на крыше здания и закреплены с возможностью их поворота относительно оси и горизонта. Причем солнечные коллекторы могут быть выполнены любой геометрической формы и должны быть установлены на месте эксплуатации под углом наклона к горизонту, который отвечает углу склонения солнца к горизонту в данный период времени. Кроме того, данная гелиоустановка горячего водоснабжения снабжена программным электронным устройством, обеспечивающим управление тепловыми датчиками, электродвигателем водяного насоса и запорными устройствами.The first technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in a solar water heating plant, which includes a solar battery, comprising at least two solar thermal collectors interconnected by a pipe, a storage tank, a water supply pipe from the storage tank to a solar battery, a pipeline for draining water from the solar battery to the storage tank, a pipeline for supplying cold water to the storage tank, a pipe for draining hot water from the storage tank to the consumer, the cold water supply line to the storage tank and the water supply pipe to the solar battery from the storage tank are connected to the bottom of the storage tank, and the water drain pipe from the solar battery to the storage tank and the hot water discharge pipe to the consumer are connected with the upper part of the storage tank, in accordance with the invention, each of the collectors of the solar battery is equipped with an individual heat sensor and an individual pipeline for the selection of hot water from it through a connecting pat ubock, and at the points of intersection of the pipes and piping, shut-off devices are installed, the pipeline for supplying water from the storage tank to the solar battery is equipped with a water pump, and the storage tank contains two heat exchangers of different volumes: the larger for water intended for heating, the smaller for water suitable for domestic purposes, with a ratio of their volumes of 4: 1. The storage tank and pipelines are covered with a layer of thermal insulation. In addition, solar collectors can be located on the site of operation in such a way that some of them are installed on the vertical walls of the building with orientations from east to west, and the rest on the roof of the building and are fixed with the possibility of rotation relative to the axis and horizon. Moreover, solar collectors can be made of any geometric shape and must be installed at the site of operation at an angle of inclination to the horizon, which corresponds to the angle of inclination of the sun to the horizon in a given period of time. In addition, this solar hot water plant is equipped with a software electronic device that controls the thermal sensors, the water pump motor and shut-off devices.

Второй технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что солнечный тепловой коллектор, входящий в состав солнечной батареи гелиоустановки, который включает прозрачную верхнюю панель, теплоизоляционный слой, теплопоглощающую панель, выполненную в виде набора параллельных металлических труб для жидкостного теплоносителя, соединенных с нижней поверхностью металлического лучепоглощающего листа, в соответствии с изобретением дополнительно содержит опорную теплоизолирующую панель, расположенную под теплоизоляционным слоем, а металлические параллельные трубы теплопоглощающей панели впрессованы в металлический лист, причем эти трубы расположены вдоль коротких сторон листа и соединены между собой трубами, расположенными вдоль его длинных сторон. Опорная теплоизолирующая панель, теплоизоляционный слой, теплопоглощающая и прозрачная панели герметично соединены между собой в конструкцию жесткой структуры, а снизу и сверху этой конструкции по периметру установлены металлические или пластиковые профили, причем указанные панели соединены между собой механическим путем, например, с помощью болтов. Между панелями солнечного коллектора по периметру размещены резиновые прокладки. Лучепоглощающий лист теплопоглощающей панели выполнен из алюминия с черным или селективным покрытием по наружной поверхности, а впрессованные в него металлические трубы с жидкостным теплоносителем выполнены из меди. На наружных торцевых сторонах солнечного теплового коллектора имеются два отверстия для подвода и отвода жидкости. Опорная теплоизолирующая панель может быть выполнена из дерева, фанеры, древесностружечной плиты, пластиковых или других аналогичных материалов, а теплоизоляционный слой может быть выполнен из пенопласта, стеклянной, минеральной или базальтовой ваты либо изделий из нее. При этом зимой в качестве теплоносителя, находящегося в трубах теплопоглощающей панели, используют смесь воды и антифриза или других аналогичных продуктов в соотношении 1:1.The second technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that the solar thermal collector, which is part of the solar solar system, which includes a transparent upper panel, a heat-insulating layer, a heat-absorbing panel made in the form of a set of parallel metal pipes for a liquid heat carrier connected to the lower surface of the metal beam-absorbing sheet, in accordance with the invention further comprises a supporting heat-insulating panel located under the thermal insulation the ionic layer, and the metal parallel pipes of the heat-absorbing panel are pressed into the metal sheet, and these pipes are located along the short sides of the sheet and are interconnected by pipes located along its long sides. The supporting heat-insulating panel, the heat-insulating layer, the heat-absorbing and transparent panels are hermetically connected to each other in a rigid structure, and metal or plastic profiles are installed along the perimeter of the bottom and top of this structure, and these panels are connected mechanically, for example, using bolts. Between the panels of the solar collector, rubber gaskets are placed around the perimeter. The beam-absorbing sheet of the heat-absorbing panel is made of aluminum with a black or selective coating on the outer surface, and metal pipes with a heat-transfer fluid pressed into it are made of copper. On the outer ends of the solar thermal collector there are two openings for supplying and discharging liquid. The supporting heat-insulating panel can be made of wood, plywood, particle board, plastic or other similar materials, and the heat-insulating layer can be made of foam, glass, mineral or basalt wool or products made of it. In winter, a mixture of water and antifreeze or other similar products in a ratio of 1: 1 is used as a heat carrier located in the pipes of the heat-absorbing panel.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:

Фиг.1 - схематический вид гелиоустановки горячего водоснабжения.Figure 1 is a schematic view of a solar hot water supply.

Фиг.2 - схематическое изображение солнечного коллектора, вид сбоку, условно.Figure 2 is a schematic illustration of a solar collector, side view, conventionally.

Фиг.3 - общий вид солнечного коллектора.Figure 3 - General view of the solar collector.

В соответствии с фиг.1 гелиоустановка содержит солнечную батарею 1, которая состоит из нескольких солнечных тепловых коллекторов 2, бак-аккумулятор 3, трубопровод подачи холодной воды 4 к баку-аккумулятору 3, трубопровод подачи воды 5 из бака-аккумулятора 3 к солнечной батарее 1, трубопровод отвода воды 6 из солнечной батареи 1 к баку-аккумулятору 3, трубопроводы отвода горячей воды 7 и 8 из бака-аккумулятора 3 к потребителю. Солнечные коллекторы соединены между собой патрубками 9, каждый из которых соединен с соответствующим трубопроводом отвода горячей воды 10 из коллектора. В местах пересечения патрубков 9 и трубопроводов 10 размещены запорные устройства 11. Трубопровод подачи воды 5 из бака-аккумулятора 3 к солнечной батарее 1 снабжен водяным насосом 12. Бак-аккумулятор 3 содержит два теплообменника 13 и 14 разного объема. Теплообменник 13 большего объема предназначен для аккумулирования горячей воды, пригодной для отопления, а теплообменник 14, имеющий меньший объем, - для аккумулирования горячей воды, пригодной для бытовых нужд. Трубопроводы 7 и 8 обеспечены вентилями 15. Каждый солнечный коллектор 2 батареи 1 имеет индивидуальный тепловой датчик 16. Кроме того, гелиоустановка имеет программное электронное устройство 17, обеспечивающее управление тепловыми датчиками 16, электродвигателем водяного насоса 12 и запорными устройствами 11.In accordance with figure 1, the solar installation contains a solar battery 1, which consists of several solar thermal collectors 2, a storage tank 3, a cold water supply pipe 4 to the storage tank 3, a water supply pipe 5 from the storage tank 3 to the solar battery 1 , a pipeline for draining water 6 from the solar battery 1 to the storage tank 3, pipelines for draining hot water 7 and 8 from the storage tank 3 to the consumer. Solar collectors are interconnected by nozzles 9, each of which is connected to the corresponding pipeline for the removal of hot water 10 from the collector. At the intersection of the pipes 9 and pipelines 10, shut-off devices 11 are located. The water supply pipe 5 from the storage tank 3 to the solar battery 1 is equipped with a water pump 12. The storage tank 3 contains two heat exchangers 13 and 14 of different volumes. A larger heat exchanger 13 is designed to store hot water suitable for heating, and a smaller heat exchanger 14 to store hot water suitable for domestic use. The pipelines 7 and 8 are provided with valves 15. Each solar collector 2 of the battery 1 has an individual thermal sensor 16. In addition, the solar installation has a software electronic device 17 that controls the thermal sensors 16, the water pump motor 12 and the shut-off devices 11.

В соответствии с фиг.2 и 3 солнечный тепловой коллектор 2 содержит прозрачную верхнюю панель 18, расположенную под ней теплопоглощающую панель 19, которая включает набор параллельных металлических поперечных труб 20, впрессованных в металлический лист 21 по его нижней поверхности, теплоизоляционный слой 22 и опорную теплоизолирующую панель 23. Для лучшей теплопередачи лист 21 выполнен из алюминия, а трубы 20 для жидкостного теплоносителя - из меди. Причем параллельные медные трубы 20 соединены между собой продольными трубами 24 и расположены вдоль коротких сторон листа 21, а трубы 24 расположены вдоль его длинных сторон. Одна из продольных труб 24 является распределительной, а вторая - коллекторной, причем изготовлены они так же, как и трубы 20, из меди. Между панелями по периметру размещены резиновые прокладки или уплотнители 25. Солнечный коллектор 2 выполнен в виде конструкции жесткой структуры 27, снизу и сверху которой установлены металлические или пластмассовые профили 26.In accordance with figure 2 and 3, the solar thermal collector 2 contains a transparent upper panel 18, a heat-absorbing panel 19 located below it, which includes a set of parallel metal transverse pipes 20, pressed into the metal sheet 21 on its lower surface, a heat-insulating layer 22 and a supporting heat-insulating panel 23. For better heat transfer, the sheet 21 is made of aluminum, and the pipe 20 for the liquid coolant is made of copper. Moreover, the parallel copper pipes 20 are interconnected by longitudinal pipes 24 and are located along the short sides of the sheet 21, and the pipes 24 are located along its long sides. One of the longitudinal pipes 24 is distribution, and the second is collector, and they are made in the same way as pipes 20 from copper. Between the panels around the perimeter there are rubber gaskets or seals 25. The solar collector 2 is made in the form of a rigid structure 27, the bottom and top of which are metal or plastic profiles 26.

Работа гелиоустановки горячего водоснабжения описана ниже.The operation of a solar hot water plant is described below.

Через трубопровод 4 подают холодную воду в бак-аккумулятор 3 и заполняют его, а потом с помощью водяного насоса 12 по трубопроводу 5 и через патрубки 9 подают воду из бака-аккумулятора 3 в солнечные тепловые коллекторы 2 солнечной батареи 1. После этого водяной насос 12 отключают. Солнечные лучи, которые падают перпендикулярно на плоскость коллекторов 2, нагревают воду, находящуюся в них, и когда нагрев воды в каком-то из коллекторов достигает заданной величины, которая фиксируется тепловым датчиком 16, срабатывает программное электронное устройство 17. Это устройство включает водяной насос 12 и устанавливает соответствующее запорное устройство 11 таким образом, что нагретая в коллекторе вода по трубопроводу 10 отводится через общий трубопровод 6 в бак-аккумулятор 3. Одновременно вода из бака-аккумулятора 3 заполняет водой тот коллектор из всех коллекторов 2 солнечной батареи 1, из которого была отведена самая горячая вода. Потом насос 12 снова отключается, а запорное устройство 11 возвращается в свое первоначальное положение, то есть патрубок 9 снова становится рабочим, а трубопровод 10 блокируется запорным устройством. Таким образом, бак-аккумулятор 3 постепенно заполняется горячей водой. Сначала горячей водой заполняется теплообменник 13, который аккумулирует воду для отопления помещений, а потом - теплообменник 14, аккумулирующий воду для бытовых нужд. Для обеспечения потребителей горячей водой для отопления или для бытовых целей используют вентили 15, расположенные на трубопроводах 7 и 8. В этом режиме система работает постоянно. Причем соотношение объемов теплообменников 13 и 14 зависит от объемов потребления горячей воды разного назначения и преимущественно составляет 4:1. Наличие теплообменников 13 и 14 с водой целевого назначения в баке-аккумуляторе 3, который также заполнен водой, вместо только непосредственного заполнения этого бака водой для целей горячего водоснабжения не только способствует лучшему сохранению нагретой целевой воды длительное время, но и обеспечивает подогрев той воды, которая находится непосредственно в баке и поступает из него в солнечные тепловые коллекторы 2. Решению вышеуказанной задачи способствует и то, что бак-аккумулятор 3 и трубопроводы 5, 6, 7, 8, 10 покрыты слоем теплоизоляции, например пенопластом, стеклянной, минеральной или базальтовой ватой либо изделиями из нее. Преимущество имеет базальтовая вата или изделия из нее, поскольку это недорогая и очень эффективная теплоизоляция, так как изготавливается из дешевого сырья - базальтового камня и имеет низкий коэффициент теплопроводности.Through the pipeline 4, cold water is supplied to the storage tank 3 and filled, and then using the water pump 12 through the pipe 5 and through the nozzles 9, water is supplied from the storage tank 3 to the solar heat collectors 2 of the solar battery 1. After that, the water pump 12 disconnect. The sun's rays, which fall perpendicularly to the plane of the collectors 2, heat the water located in them, and when the water in one of the collectors reaches a predetermined value, which is detected by the heat sensor 16, a software electronic device 17 is activated. This device includes a water pump 12 and installs the corresponding locking device 11 in such a way that the water heated in the collector is discharged through line 10 through a common line 6 to the storage tank 3. At the same time, water from the storage tank 3 fills into Doi the collector of the collectors of two solar batteries 1, which was assigned the hottest water. Then the pump 12 is turned off again, and the locking device 11 returns to its original position, that is, the pipe 9 becomes operational again, and the pipe 10 is blocked by the locking device. Thus, the storage tank 3 is gradually filled with hot water. First, the heat exchanger 13 is filled with hot water, which accumulates water for space heating, and then the heat exchanger 14, which stores water for domestic use. To provide consumers with hot water for heating or for domestic use, valves 15 are located on pipelines 7 and 8. In this mode, the system operates continuously. Moreover, the ratio of the volumes of heat exchangers 13 and 14 depends on the volumes of consumption of hot water for various purposes and is mainly 4: 1. The presence of heat exchangers 13 and 14 with target water in the storage tank 3, which is also filled with water, instead of only directly filling this tank with water for hot water supply, not only contributes to better preservation of the heated target water for a long time, but also ensures the heating of that water, which located directly in the tank and comes from it to the solar thermal collectors 2. The above-mentioned problem is also facilitated by the fact that the storage tank 3 and pipelines 5, 6, 7, 8, 10 are covered with a layer of thermal insulation, n For example, polystyrene, glass, mineral or basalt wool or products made of it. Basalt wool or products from it have an advantage, since it is an inexpensive and very effective thermal insulation, since it is made from cheap raw materials - basalt stone and has a low coefficient of thermal conductivity.

Циркуляция воды в контуре гелиоустановки горячего водоснабжения обеспечивается, как уже указывалось, водяным насосом 12, который включается автоматически, когда достигается определенный уровень солнечной радиации и соответственно заданный нагрев воды в коллекторе до соответствующей температуры. При отсутствии солнца насос не работает.The water circulation in the solar hot water supply circuit is provided, as already indicated, by the water pump 12, which turns on automatically when a certain level of solar radiation is reached and, accordingly, the given heating of the water in the collector to the corresponding temperature. In the absence of sunshine, the pump does not work.

Для лучшего использования солнечной энергии коллекторы должны быть установлены своей плоскостью перпендикулярно лучам солнечного излучения. С этой целью они обеспечены механизмом поворота их относительно оси и линии горизонта. В летнее время оптимальный угол наклона коллекторов к горизонту составляет 30-40°С, а зимой - 60-70°С для средних широт северного полушария Земли.For the best use of solar energy, collectors should be installed with their plane perpendicular to the rays of solar radiation. To this end, they are provided with a mechanism to rotate them about the axis and horizon. In summer, the optimal angle of inclination of the collectors to the horizon is 30–40 ° С, and in winter - 60–70 ° С for mid latitudes of the Earth’s northern hemisphere.

Наибольший экономический эффект достигается размещением части солнечных тепловых коллекторов на вертикальной стене здания с ориентацией их с востока на запад, а остальных коллекторов - на крыше дома под углом наклона к горизонту, который отвечает углу склонения солнца к горизонту в данный период.The greatest economic effect is achieved by placing part of the solar thermal collectors on the vertical wall of the building with their orientation from east to west, and the remaining collectors on the roof of the house at an angle to the horizon, which corresponds to the angle of inclination of the sun to the horizon in a given period.

Поскольку поверхность зданий бывает очень разнообразной, солнечные коллекторы солнечной батареи могут быть выполнены любой геометрической формы, которая облегчит их установку на месте эксплуатации.Since the surface of buildings can be very diverse, the solar collectors of the solar battery can be made of any geometric shape, which will facilitate their installation on site.

Предложенная гелиоустановка горячего водоснабжения в сравнении с прототипом позволяет эффективно использовать солнечное излучение для превращения его в тепловую энергию воды за счет осуществления избирательной системы отвода горячей воды из коллекторов с помощью индивидуальных тепловых датчиков и индивидуальных трубопроводов отвода горячей воды, принудительного движения воды по трубопроводам, наличия программною электронного устройства, эффективного сохранения тепла горячей воды, находящейся в баке-аккумуляторе, обеспечении изменения пространственной конфигурации коллекторов солнечной батареи в зависимости от формы объекта, к которому крепятся коллекторы, и целенаправленного расположения солнечных коллекторов на месте их эксплуатации по отношению к солнечному лучу.The proposed solar hot water supply system in comparison with the prototype allows efficient use of solar radiation to turn it into heat energy of the water through the implementation of a selective system for removing hot water from collectors using individual heat sensors and individual pipelines for removing hot water, forced water movement through pipelines, and the availability of program an electronic device that effectively retains the heat of hot water in the storage tank, providing eneniya spatial configuration of the solar collectors, depending on the shape of the object, which carries the collectors, and purposeful arrangement of solar collectors on the site of their operation in relation to the solar beam.

Работа солнечного теплового коллектора описана ниже.The operation of the solar thermal collector is described below.

С восходом солнца солнечные лучи проникают через прозрачную панель 18 и падают на лучепоглощающий алюминиевый лист 21, выкрашенный черной матовой краской или имеющий селективное покрытие. Лист 21 теплопоглощающей панели 19 нагревается и передает тепло медным трубам 20, впрессованным в него. Благодаря способу их соединения путем горячего прессования поверхность контакта труб 20 с листом 21 увеличивается в сравнении с методом сваривания, пайки или склеивания, так как в заявляемом объекте соединение их происходит не только под действием температуры, но и под действием давления. Высокий коэффициент теплопроводности алюминия и меди и большая поверхность контакта труб 20 и 24 с листом 21 обеспечивают эффективную передачу тепла от лучепоглощающею листа 21 к жидкостному теплоносителю, то есть воде, находящейся в трубах 20 и 24. Лист 21 во время его соединения с трубами 20 и 24 путем горячего их прессования становится как бы профилированным, что способствует реализации дополнительного теплообмена между ними в длинноволновом диапазоне. Под теплопоглощающей панелью 19 расположен слой теплоизоляции 22, а ниже последнего находится опорная теплоизолирующая панель 23, которая дополнительно защищает трубы с жидкостным теплоносителем от потери тепла и одновременно повышает механическую прочность конструкции солнечного коллектора. Опорная теплоизолирующая панель 23 может быть изготовлена из дерева, фанеры, древесностружечной плиты или пластиковых материалов, а в качестве теплоизоляции может применяться любой теплосберегающий материал, который имеет низкий коэффициент теплопроводности. Между панелями 18, 19 и между теплоизоляционным слоем 22 и панелью 23 расположены по периметру резиновые прокладки или уплотнитель 25. Все панели и слой теплоизоляции герметично соединены между собой механическим путем в конструкцию жесткой структуры 27, например, с помощью болтов. Для повышения жесткости конструкции и теплоизолирующего эффекта сверху и снизу солнечного коллектора по периметру установлены металлические или пластмассовые профили 26. Зимой в качестве жидкостного теплоносителя в коллекторах может быть использована смесь воды и антифриза или других аналогичных продуктов в соотношении 1:1, так как такая смесь не будет замерзать.At sunrise, the sun's rays penetrate through the transparent panel 18 and fall on the beam-absorbing aluminum sheet 21, painted with a matte black paint or having a selective coating. The sheet 21 of the heat-absorbing panel 19 is heated and transfers heat to the copper pipes 20 pressed into it. Due to the method of their connection by hot pressing, the contact surface of the pipes 20 with the sheet 21 increases in comparison with the method of welding, soldering or gluing, since in the inventive object, their connection occurs not only under the influence of temperature, but also under the influence of pressure. The high coefficient of thermal conductivity of aluminum and copper and the large contact surface of the pipes 20 and 24 with the sheet 21 provide efficient heat transfer from the radiation-absorbing sheet 21 to the heat transfer fluid, i.e., the water contained in the pipes 20 and 24. The sheet 21 during its connection with the pipes 20 and 24 by hot pressing them becomes profiled, which contributes to the implementation of additional heat transfer between them in the long wavelength range. Under the heat-absorbing panel 19, there is a layer of thermal insulation 22, and below the last is a supporting heat-insulating panel 23, which additionally protects the pipes with a heat-transfer fluid from heat loss and at the same time increases the mechanical strength of the solar collector. The supporting heat-insulating panel 23 can be made of wood, plywood, particle board or plastic materials, and any heat-saving material that has a low coefficient of thermal conductivity can be used as thermal insulation. Between the panels 18, 19 and between the insulating layer 22 and the panel 23 are located around the perimeter of the rubber gasket or seal 25. All panels and the insulation layer are mechanically sealed to each other in a rigid structure 27, for example, using bolts. To increase the rigidity of the structure and the heat-insulating effect, metal or plastic profiles 26 are installed at the top and bottom of the solar collector around the perimeter. In winter, a 1: 1 mixture of water and antifreeze or other similar products can be used as a liquid coolant in the collectors, since such a mixture does not will freeze.

Предложенная конструкция солнечного коллектора в сравнении с прототипом позволяет повысить эффективность теплоотдачи от теплопоглощающей панели листотрубной конструкции к жидкому теплоносителю, находящемуся в трубках, за счет применения нового способа соединения лучепоглощающего листа и трубок, а также позволяет снизить его металло- и трудоемкость за счет упрощения технологии его изготовления, увеличить механическую прочность и жесткость коллектора за счет выполнения его в виде конструкции жесткой структуры, упрочненной сверху и снизу по периметру профилями.The proposed design of the solar collector in comparison with the prototype allows to increase the efficiency of heat transfer from the heat-absorbing panel of the sheet-tube structure to the liquid heat carrier located in the tubes due to the use of a new method of connecting the beam-absorbing sheet and tubes, and also allows to reduce its metal and labor intensity due to simplification of its technology manufacturing, to increase the mechanical strength and rigidity of the collector by performing it in the form of a structure of a rigid structure, hardened from above and the bottom of the perimeter profiles.

Предложенная конструкция солнечной батареи, включающей несколько солнечных коллекторов, соединенных между собой патрубками и установленных с возможностью избирательного отбора из них горячей воды заданной температуры, позволяет снизить инерционность гелиоустановки и увеличить ее эксплуатационную мощность.The proposed design of a solar battery, including several solar collectors, interconnected by pipes and installed with the possibility of selective selection of hot water of a given temperature from them, reduces the inertia of the solar installation and increases its operational power.

Таким образом, использование гелиоустановки предложенной конструкции и ее солнечного теплового коллектора позволяет не только повысить эффективность использования солнечной энергии для превращения ее в тепловую энергию воды путем улучшения теплотехнических характеристик, но и путем улучшения экономических показателей горячего водоснабжения потребителей, а также расширить технические возможности ее применения на местности. Так с учетом того, что температура воды в коллекторе может достичь 180°С, один солнечный день может обеспечить потребность в горячей воде в течение недели и более при наличии достаточных объемов накопителя горячей воды.Thus, the use of a solar installation of the proposed design and its solar thermal collector allows not only to increase the efficiency of the use of solar energy to turn it into thermal energy of water by improving the thermal characteristics, but also by improving the economic indicators of hot water supply to consumers, as well as expanding the technical capabilities of its application by terrain. So, given that the temperature of the water in the collector can reach 180 ° C, one sunny day can provide the need for hot water for a week or more if there are sufficient volumes of hot water storage.

Данная гелиоустановка может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими известными системам горячего водоснабжения.This solar installation can be used both independently and in combination with other well-known hot water systems.

В настоящее время изготовлен опытный образец гелиоустановки и проводятся его испытания в Крыму.At present, a prototype solar installation has been made and its tests are being carried out in Crimea.

Claims

1. A solar water hot water plant containing a solar battery, which includes at least two solar thermal collectors interconnected by a pipe, a storage tank, a pipeline for supplying water from the storage tank to the solar battery, a pipeline for draining hot water from the solar battery to the storage tank, the cold water supply pipe to the storage tank, the hot water discharge pipe from the storage tank to the consumer, the cold water supply pipe to the storage tank and the water supply pipe from the ba The a-battery in the solar battery is connected to the bottom of the battery tank, and the pipeline for draining hot water from the solar battery to the battery tank and the pipe for draining hot water from the battery tank to the consumer are connected to the upper part of the battery tank, characterized in that each from the collectors of the solar battery is equipped with an individual thermal sensor and an individual pipeline for removing hot water from it through a connecting pipe, and at the intersections of the pipes and pipelines there are shut-off valves stroystva, the water supply conduit of the storage tank in a solar cell provided with a water pump, a storage tank of the heat exchanger comprises two different volume: greater - for water for heating, less - for water. suitable for domestic use.

2. The solar hot water supply according to claim 1, characterized in that it is equipped with a software electronic device that controls the heat sensors, the electric motor of the water pump and shut-off devices.

3. Solar power hot water supply according to claim 1, characterized in that the solar collectors are fixed at the place of operation with the possibility of rotation relative to the axis and horizon.

4. Solar power hot water supply according to claim 1, characterized in that the solar collectors are installed at the site of operation at an angle of inclination to the horizon, which corresponds to the angle of inclination of the sun to the horizon for a given period of time.

5. The solar hot water supply system according to claim 1, characterized in that at the place of operation part of the solar collectors is installed on the wall of the building with their orientation from east to west, and the rest of them on the roof of the building.

6. Solar power hot water supply according to claim 1, characterized in that the solar collectors can be made of any geometric shape.

7. Solar water heating plant according to claim 1, characterized in that the ratio of the volumes of the heat exchanger with hot water for heating and the heat exchanger with hot water for domestic purposes is 4: 1.

8. The solar hot water supply system according to claim 1, characterized in that the storage tank and the piping for removing hot water from the solar collectors to it are coated with a layer of thermal insulation.

9. A solar thermal collector comprising a transparent upper panel, a heat-insulating layer, a heat-absorbing panel made in the form of a set of parallel metal pipes for a heat-transfer fluid connected to the lower surface of a metal radiation-absorbing sheet, characterized in that it further comprises a supporting heat-insulating panel located under the heat-insulating layer, and metal parallel pipes of the heat-absorbing panel are pressed into a metal beam-absorbing sheet, and the supporting a flat-insulating panel, a heat-insulating layer, a heat-absorbing and transparent upper panel are hermetically connected to each other in a rigid structure, and metal or plastic profiles are installed along the perimeter of the bottom and top of this structure.

10. Solar thermal collector according to claim 9, characterized in that the metal parallel pipes pressed into the metal beam-absorbing sheet are located along the short sides of the sheet and are interconnected by pipes located along its long sides.

11. The solar thermal collector according to claim 9, characterized in that the beam-absorbing sheet of the heat-absorbing panel is made of aluminum with a black or selective coating on the outer surface, and metal pipes pressed into it with a liquid coolant are made of copper.

12. Solar thermal collector according to claim 9, characterized in that it is made with two holes on its outer end faces for supplying and discharging liquid.

13. The solar thermal collector according to claim 9, characterized in that in winter, a mixture of water and antifreeze or a similar product in a 1: 1 ratio is used as the heat transfer fluid.

14. The solar thermal collector according to claim 9, characterized in that rubber gaskets are placed between the panels and the insulating layer along the perimeter of the solar collector.

15. The solar thermal collector according to claim 9, characterized in that the supporting heat-insulating panel, the heat-insulating layer, the heat-absorbing and transparent panels are interconnected into a rigid structure by mechanical means, for example using bolts.

16. The solar thermal collector according to claim 9, characterized in that the supporting heat-insulating panel is made of wood, plywood, particle board or plastic and other similar materials.

17. The solar thermal collector according to claim 9, characterized in that the thermal insulation layer is made of foam, glass, mineral or basalt wool or products made of it.