RU2367851C1

RU2367851C1 - Solar collector

Info

Publication number: RU2367851C1
Application number: RU2008125531/06A
Authority: RU
Inventors: Станислав Николаевич Бегдай (RU); Станислав Николаевич Бегдай; Николай Григорьевич Бегдай (RU); Николай Григорьевич Бегдай; Татьяна Александровна Бегдай (RU); Татьяна Александровна Бегдай; Роберт Александрович Амерханов (RU); Роберт Александрович Амерханов; Иосиф Андреевич Потапенко (RU); Иосиф Андреевич Потапенко
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2009-09-20

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention concerns solar collectors and is intended to enhance its operational efficiency. Solar collector includes heat absorbing panel of radial tubular structure formed by separate parallel elements consisting of pipe with heat carrier, connected to heat absorbing surface of the element. Heat absorbing surface features magnetostrictive emitter at its bottom side, with oscillation frequency not exceeding 21.3 kHz and oscillation amplitude of 0.09 mm, connected to ultrasonic generator.

EFFECT: enhanced heat exchange, allowing for improvement of operational efficiency of basically all existing solar collectors and extension of their application sphere.

1 dwg

Description

Изобретение относится к солнечным коллекторам и предназначено для повышения эффективности его работы.The invention relates to solar collectors and is intended to increase the efficiency of its work.

Известен коллектор солнечной энергии - см. патент RU №2253808 7 F24J 2/24, содержащий внутреннюю стеклянную оболочку с прикрепленными к ней трубками для подвода и отвода жидкости и с нанесенным на ее наружную поверхность теплопоглощающем покрытием, где коллектор дополнительно снабжен внешней оболочкой, выполненной в виде плоского объема с полуцилиндрическими гранями по бокам и снабженной расположенными продольными элементами, в которую помешена внутренняя оболочка, при этом внутренняя оболочка снабжена разделительными стеклянными пластинами, выполненная в форме лабиринта, а внутренняя поверхность наружной оболочки выполнена зеркальной и с фронтальной стороны прозрачной для солнечных лучей, а с обратной - не прозрачной.A known solar energy collector - see patent RU No. 2253808 7 F24J 2/24, containing an inner glass shell with tubes for supplying and discharging liquid attached to it and with a heat-absorbing coating applied to its outer surface, where the collector is additionally provided with an outer shell made in in the form of a flat volume with semi-cylindrical faces on the sides and provided with located longitudinal elements, into which the inner shell is placed, while the inner shell is equipped with glass dividing plates made in the form of a labyrinth, and the inner surface of the outer shell is made mirror-like and on the front side is transparent to sunlight, and on the back it is not transparent.

Известное изобретение наряду с несомненными достоинствами имеет и серьезные недостатки. Первое - конструктивное решение, в частности выполнение его из стекла не позволяет обеспечить надежность в его работе. Второе - устройство требует серьезных затрат на его изготовление, что делает его применение экономически не целесообразным.The known invention, along with the undoubted advantages, also has serious disadvantages. The first is a constructive solution, in particular, its implementation from glass does not allow ensuring reliability in its operation. Secondly, the device requires serious costs for its manufacture, which makes its use economically not feasible.

Известный солнечный воздухонагреватель (патент RU №2193147, 7 F24J 2/24, 2/34), включающий коллектор двухцелевого назначения, светопрозрачное покрытие, теплоноситель в виде воды и воздуха, аккумулятора тепла. В солнечном воздухонагревателе аккумулятор тепла выполнен двухслойным, причем нижний слой гравийный, а верхний песчаный, труба теплоотвода изготовлена синусоидальной формы и частично утоплена в песчаном слое аккумулятора тепла, у входа трубы установлен край для переключения теплоносителя, при этом воздухонагреватель размещен под углом 30-60° в зависимости от широты местности.Known solar air heater (patent RU No. 2193147, 7 F24J 2/24, 2/34), including a dual-purpose collector, a translucent coating, a coolant in the form of water and air, a heat accumulator. In the solar air heater, the heat accumulator is made of two layers, the lower layer being gravel and the upper sand, the heat sink pipe is made in a sinusoidal shape and partially recessed in the sand layer of the heat accumulator, an edge for switching the heat carrier is installed at the pipe inlet, while the air heater is placed at an angle of 30-60 ° depending on the latitude of the area.

Известное изобретение достаточно сложно в изготовлении, материалоемко и, как показал опыт его практической реализации, имеет существенный недостаток, заключающийся в достаточно низком КПД, что делает его применение в ряде случаев экономически не целесообразным.The known invention is quite difficult to manufacture, material-intensive and, as experience in its practical implementation has shown, has a significant drawback consisting in a rather low efficiency, which makes its use in some cases not economically feasible.

Также известен солнечный коллектор (патент RU №2194929, 7 F24J 2/15, 2/24) содержащий корпус со светопрозрачным покрытием и расположенным в нижней его части гелиоприемником, между которыми установлены отражательные элементы в виде зеркальных клиновидных призм. В коллекторе теплоприемник выполнен в виде верхней прозрачной поверхности, на которой установлены призмы, и нижней стенки, центральная часть которой снабжена полусферическими выступами, расположенными в шахматном порядке, контактирующими и поддерживающими своими вершинами верхнюю поверхность теплообменника, а края нижней его стенки выполнены в виде вогнутых полуцилиндрических поверхностей для размещения в них труб с низкокипящем теплоносителем, причем прозрачная поверхность теплоприемника выполнена впукло-выпуклой, а сами призмы - тонкостенными и полыми с вогнутыми боковыми гранями и впукло-выпуклым основанием, точно контактирующим с прозрачной поверхностью теплоприемника в вершинах выпуклостей, полость между верхней прозрачной поверхностью теплоприемника в вершинах выпуклостей, полость между верхней прозрачной поверхностью теплоприемника и его нижней стенкой заполнена жидкостью с высокой температурой кипения, объем между светопрозрачным покрытием коллектора и прозрачной поверхностью теплоприемника заполнен газом.Also known is a solar collector (patent RU No. 2194929, 7 F24J 2/15, 2/24) containing a housing with a translucent coating and a solar receiver located in its lower part, between which reflective elements are installed in the form of mirror wedge-shaped prisms. In the collector, the heat sink is made in the form of an upper transparent surface on which prisms are mounted, and a lower wall, the central part of which is equipped with hemispherical protrusions arranged in a checkerboard pattern, the upper surface of the heat exchanger contacting and supporting their vertices, and the edges of its lower wall are made in the form of concave semi-cylindrical surfaces for placement of pipes with a low boiling coolant in them, and the transparent surface of the heat sink is convex-convex, and the prisms themselves thin-walled and hollow with concave side faces and a convex-convex base, precisely in contact with the transparent surface of the heat sink at the vertices of the bulges, the cavity between the upper transparent surface of the heat sink at the vertices of the bulges, the cavity between the upper transparent surface of the heat sink and its lower wall is filled with a liquid with a high boiling point, the volume between the translucent cover of the collector and the transparent surface of the heat receiver is filled with gas.

Опыт его практической эксплуатации выявил серьезные недостатки, заключающиеся прежде всего в том, что подбор угла установки отражательных элементов не позволяет с высокой эффективностью использовать энергию светового потока в течении всего дня вследствие не предусмотренной возможности оперативно изменять угол отражательных элементов в течении светового дня.The experience of its practical operation has revealed serious shortcomings, which are primarily due to the fact that the selection of the angle of installation of the reflective elements does not allow high-efficiency use of the energy of the light flux throughout the day due to the not provided possibility to quickly change the angle of the reflective elements during daylight hours.

В качестве прототипа авторами выбран солнечный коллектор (см. патент RU №2258874, 7F24J 2/24, 2/34 2003 года), который содержит теплопоглощающую панель лучистотрубной конструкции, образованную из отдельных параллельных элементов, которые состоят из трубы с теплоносителем, соединенной с теплопоглощающей поверхностью элемента, последний выполнен в виде продленного изделия, имеющего в поперечном разрезе вид сформованного цельного замкнутого контура, образующего трубу для теплоносителя и полость, заполненную теплоаккумулирующим веществом, при этом его внешняя поверхность, на которую падает солнечное излучение, является теплопоглощающей поверхностью и на ней с двух сторон выполнены внешние продольные ребра, полости которых параллельны полости теплопоглощающей панели и находятся на расстоянии друг от друга, что обеспечивает наличие зазора между ребрами, теплопоглощающая поверхность отдельного параллельного элемента плоская и одно из внешних продольных ребер находится с ней в одной плоскости.As a prototype, the authors chose a solar collector (see patent RU No. 2258874, 7F24J 2/24, 2/34 2003), which contains a heat-absorbing panel of a radiant tube structure formed of separate parallel elements, which consist of a pipe with a heat carrier connected to a heat-absorbing by the surface of the element, the latter is made in the form of an extended product, having a cross-sectional view of a molded solid closed loop forming a pipe for a coolant and a cavity filled with a heat-accumulating substance, while о the external surface onto which solar radiation is incident is a heat-absorbing surface and external longitudinal ribs are made on it from two sides, the cavities of which are parallel to the cavity of the heat-absorbing panel and are located at a distance from each other, which ensures a gap between the ribs, the heat-absorbing surface of a separate parallel element flat and one of the outer longitudinal ribs is in the same plane with it.

Известное изобретение имеет существенные преимущества по сравнению с ранее разработанными (известными) конструкциями, однако заложенные в нем технические возможности использованы неполностью. В частности, речь идет о повышении теплопередачи от поверхности коллектора к теплоносителю.The known invention has significant advantages compared with previously developed (known) designs, however, the technical capabilities incorporated therein are not fully utilized. In particular, we are talking about increasing heat transfer from the surface of the collector to the coolant.

Техническим решением задачи является повышение тепловой эффективности.The technical solution to the problem is to increase thermal efficiency.

Поставленная задача достигается тем, что солнечный коллектор, содержащий теплопоглощающую панель лучистотрубной конструкции, образованную из отдельных параллельных элементов, состоящих из трубы с теплоносителем, соединенной с теплопоглощающей поверхностью элемента, согласно изобретению, теплопоглощающая поверхность снабжена с нижней стороны магнитострикционным излучателем с частотой колебаний не более 21,3 кГц и амплитудой колебаний 0,09 мм подключенным к ультразвуковому генератору.This object is achieved in that a solar collector comprising a heat-absorbing panel of a radiant tube structure formed of separate parallel elements consisting of a pipe with a heat carrier connected to a heat-absorbing surface of the element, according to the invention, the heat-absorbing surface is provided on the underside with a magnetostrictive radiator with an oscillation frequency of not more than 21 , 3 kHz and an oscillation amplitude of 0.09 mm connected to an ultrasonic generator.

Повышение эффективности работы солнечного коллектора решается за счет использования вибрационного воздействия поверхности коллектора достаточно широким спектром частот и амплитуд, создаваемых магнитострикционным преобразователем ультразвукового генератора.Increasing the efficiency of the solar collector is solved by using the vibrational effects of the collector surface with a wide enough spectrum of frequencies and amplitudes created by the magnetostrictive transducer of the ultrasonic generator.

Новизна предложенного технического решения заключается в следующем:The novelty of the proposed technical solution is as follows:

- Микровибрации коллектора позволяют ламинарный слой нагреваемого теплоносителя перевести в турбулентный, что в свою очередь позволяет увеличить теплоотдачу от коллектора к теплоносителю см. Г.Шлихтинг «Теория пограничного слоя». - М.: изд. «Наука», 1974 г. стр.48-51.- The collector microvibrations allow the laminar layer of the heated coolant to be converted into a turbulent one, which in turn allows to increase the heat transfer from the collector to the coolant see G. Schlichting “Theory of the boundary layer”. - M .: ed. “Science”, 1974, pp. 48-51.

- Вибрационные характеристики по частоте 21,3 кГц и амплитуде колебаний 0,09 мм определены экспериментальным путем и обеспечивают оптимальный режим коллектора.- Vibrational characteristics at a frequency of 21.3 kHz and an amplitude of 0.09 mm are determined experimentally and provide the optimal collector mode.

- Повышение технических характеристик коллектора позволяет существенно уменьшить массогабаритные показатели, что в некоторых случаях позволяет существенно расширить область возможного применения коллектора в различных вариантах применения коллектора.- Improving the technical characteristics of the collector can significantly reduce the overall dimensions, which in some cases can significantly expand the scope of the possible use of the collector in various applications of the collector.

- Предложенное техническое решение позволяет получить существенный экономический эффект за счет уменьшения потребления электроэнергии, в частности за счет исключения циркуляционного насоса. Это обстоятельство особенно важно, учитывая тенденцию к непрерывному росту цен на энергоносители.- The proposed technical solution allows you to obtain a significant economic effect by reducing energy consumption, in particular by eliminating the circulation pump. This circumstance is especially important, given the tendency for continuous growth in energy prices.

Предложенное техническое решение поясняется чертежом, где представлена схема солнечного коллектора.The proposed technical solution is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a solar collector.

Солнечный коллектор содержит теплопоглощающую панель лучистотрубной конструкции, образованную из отдельных параллельных элементов 1, состоящих из трубы с жидким теплоносителем 2 и труб с газообразным теплоносителем или теплоаккумулирующим веществом 3, соединенной с теплопоглощающей поверхностью элемента, с нижней стороны которой установлен магнитострикционный излучатель 4 соединенный с ультразвуковым генератором 5, магнитострикционный излучатель имеет частоту 21,3кГц, амплитуду колебаний 0,09 мм.The solar collector contains a heat-absorbing panel of a radiant tube design formed of separate parallel elements 1, consisting of a pipe with a liquid heat carrier 2 and pipes with a gaseous heat carrier or heat-accumulating substance 3 connected to a heat-absorbing surface of the element, on the lower side of which a magnetostrictive emitter 4 is connected to an ultrasonic generator 5, the magnetostrictive emitter has a frequency of 21.3 kHz, the oscillation amplitude of 0.09 mm

Солнечный коллектор работает следующим образом. Солнечные лучи, попадая на поверхность коллектора 1, нагревают его. При этом начинается циркуляция теплоносителя по трубопроводам 2,3, одновременно включают в сеть 220 В ультразвуковой генератор 5, выход УЗГ включен на магнитострикционный излучатель 4, в следствие микровибраций коллектора происходит турбулизация потока теплоносителя (жидкости), что приводит к улучшению теплопередачи от коллектора теплоносителю. См. Г.Шлихтинг «Теория пограничного слоя». - М.: изд. «Наука», 1974 г., стр.48-51.The solar collector works as follows. The sun's rays, falling on the surface of the collector 1, heat it. At the same time, the coolant begins to circulate through pipelines 2,3, at the same time an ultrasonic generator 5 is connected to the 220 V network, the ultrasonic generator output is connected to the magnetostrictive emitter 4, turbulence of the coolant (fluid) flow occurs due to collector micro-vibrations, which leads to improved heat transfer from the collector to the coolant. See G. Schlichting "Theory of the boundary layer." - M .: ed. Science, 1974, pp. 48-51.

Предложенное техническое решение позволяет, по нашему мнению, повысить эффективность работы солнечного коллектора.The proposed technical solution allows, in our opinion, to increase the efficiency of the solar collector.

Claims

A solar collector comprising a heat-absorbing panel of a radiant tube structure formed of separate parallel elements consisting of a pipe with a heat carrier connected to a heat-absorbing surface of the element, characterized in that the heat-absorbing surface is provided on the underside with a magnetostrictive radiator with an oscillation frequency of not more than 21.3 kHz and amplitude oscillations of 0.09 mm connected to an ultrasonic generator.