RU2569423C1

RU2569423C1 - Solar heater with protection against precipitation

Info

Publication number: RU2569423C1
Application number: RU2014136304/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Ясаков
Original assignee: Николай Васильевич Ясаков
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-11-27

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: solar heater has commutator in transparent heat radiating shell with full-parabolic reflector, and device for self-orientation to the Sun. Distinctive features of this device are in that its commutator is made as coaxial pipe structure with adsorber length exceeding the longitudinal dimension of the full-parabolic reflector, this limits its orientation in one plane, and its drive alongside with the automatic keeping of the orientation to the Sun under work mode also ensures automatic rotation of the full-parabolic reflector for the time of sun exposure absence to top position.

EFFECT: invention ensures protection of all work surfaces of the heater against precipitation.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к энергетике, в частности к использованию одного из самых перспективных видов возобновляемых источников энергии - солнечного излучения - и может быть применено в системах теплоснабжения, в первую очередь, жилых и других некрупных объектов.The present invention relates to energy, in particular to the use of one of the most promising types of renewable energy sources - solar radiation - and can be used in heat supply systems, primarily residential and other medium-sized facilities.

Среди известных солнечных установок в наибольшем разнообразии представлены маломощные как гелиоэлектрические, так и тепловые преобразователи. В числе последних широко используются нагреватели всевозможных конструкций - от самых примитивных до сложнейших, где затраты на их изготовление и установку не всегда оправданы реальными показателями их эффективности и надежности.Among the known solar installations, low-power both solar and thermal converters are presented in the greatest variety. Among the latter, heaters of various designs are widely used - from the most primitive to the most complex, where the costs of their manufacture and installation are not always justified by real indicators of their efficiency and reliability.

Для иллюстрации достаточно привести один из примеров сложных технических решений данной проблемы, а именно: "Теплообменник солнечной энергии" (патент RU №2169318 C1, F24J 2/06, 2001 г.). В его формуле изобретения сказано "Теплообменник солнечной энергии, содержащий камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала и торцевыми крышками с патрубками, в полости которой соосно с ней расположена цилиндрическая металлическая трубка для прохождения рабочей среды, а также концентратор солнечного излучения, установленный с возможностью изменения его ориентации относительно Солнца, отличающийся тем, что концентратор солнечного излучения выполнен в виде систем зеркал и цилиндрических собирающих линз, расположенных параллельно оси камеры на фокусном расстоянии от поверхности металлической трубки и не превышающих длины трубки между торцевыми крышками, а также снабженный механизмом вращения его вокруг камеры, включающим систему слежения в течение дневного времени за постоянным расположением Солнца, центральной линии центрально расположенной цилиндрической собирающей линзы и линии сфокусированного ею солнечного излучения на поверхности металлической трубки на условной плоскости, перпендикулярной к касательной плоскости, проведенной через линию сфокусированного солнечного излучения на поверхности металлической трубки, причем теплообменник установлен с возможностью изменения угла наклона его относительно земли для обеспечения перпендикулярного падения солнечных лучей на поверхность металлической трубки в зависимости от месторасположения Солнца на небосводе в течение года".To illustrate, it is enough to give one example of complex technical solutions to this problem, namely: “Solar energy heat exchanger” (patent RU No. 2169318 C1, F24J 2/06, 2001). In his claims, said “Solar energy heat exchanger containing a chamber with cylindrical walls of transparent material and end caps with nozzles, in the cavity of which is arranged a cylindrical metal tube coaxially with it for the passage of the working medium, as well as a solar radiation concentrator installed with the possibility of changing it orientation relative to the Sun, characterized in that the solar radiation concentrator is made in the form of systems of mirrors and cylindrical collecting lenses located at parallel to the axis of the camera at the focal distance from the surface of the metal tube and not exceeding the length of the tube between the end caps, and also equipped with a mechanism for rotating it around the camera, including a tracking system during the daytime for the constant location of the Sun, the central line of the centrally located cylindrical collecting lens and the focused line solar radiation on the surface of a metal tube on a conventional plane perpendicular to the tangent plane drawn through the line focused solar radiation on the surface of the metal tube, the heat exchanger mounted with the possibility of changing its angle of inclination relative to the ground to ensure the perpendicular incidence of sunlight on the surface of the metal tube depending on the location of the Sun in the sky for a year. "

Рассматривая описание и графические материалы этого изобретения, не трудно оценить всю сложность (взять хотя бы изготовление цилиндрических собирающих линз) и высокую стоимость данной конструкции, которая к тому же даже при хороших показателях в нормальных эксплуатационных условиях, совершенно не защищена от воздействия атмосферных осадков, особенно опасных в зимнее время.Considering the description and graphic materials of this invention, it is not difficult to assess the complexity (at least the manufacture of cylindrical collecting lenses) and the high cost of this design, which, moreover, even with good performance under normal operating conditions, is not at all protected from atmospheric precipitation, especially dangerous in the winter.

Наиболее близким по конструкции аналогом заявляемого солнечного нагревателя является преобразователь солнечной энергии (патент RU №2160875 C1, F24J 2/12 от 27.04.1999), принятый за прототип. Он содержит вогнутый отражающий лучи концентратор, в фокусе которого помещен приемник солнечной энергии, выполненный в виде трубы, внутри которой размещен теплоноситель, и отражающие элементы; вогнутый отражающий концентратор выполнен в форме параболы и установлен с возможностью вращения вокруг трубы, отражающие пластины установлены с зазором между собой на наружной поверхности трубы, параллельно ее оси и перпендикулярно касательной, проведенной к окружности трубы, при этом на поверхность трубы нанесено светопоглощающее покрытие.The closest in design analogue of the inventive solar heater is a solar energy converter (patent RU No. 2160875 C1, F24J 2/12 of 04/27/1999), adopted as a prototype. It contains a concave reflecting beams concentrator, in the focus of which is placed a solar energy receiver, made in the form of a pipe inside which a coolant is placed, and reflective elements; the concave reflective concentrator is made in the form of a parabola and rotatably mounted around the pipe, the reflective plates are installed with a gap between themselves on the outer surface of the pipe, parallel to its axis and perpendicular to the tangent drawn to the pipe circumference, while a light-absorbing coating is applied to the pipe surface.

Данное устройство отличается простотой конструкции концентратора лучей - параболического рефлектора - и системы его поворота при ориентации на источник излучения. Однако наряду с такой системой поворота вокруг трубы он дополнительно оснащен более сложной системой поворота в другой координатной плоскости, что связано с необходимостью точной установки в условиях меняющегося склонения нашего светила. Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести и значительные теплопотери открытого приемника солнечной энергии и его незащищенность, как и зеркальной поверхности концентратора, от атмосферных осадков.This device is characterized by the simplicity of the design of the beam concentrator - a parabolic reflector - and its rotation system when oriented to the radiation source. However, along with such a rotation system around the pipe, it is additionally equipped with a more complex rotation system in a different coordinate plane, which is associated with the need for accurate installation in the conditions of the changing declination of our luminary. In addition, the disadvantages of the prototype include significant heat loss of an open solar energy receiver and its vulnerability, like the mirror surface of the concentrator, from atmospheric precipitation.

Задачей технического решения, положенного в основу заявляемого устройства, является создание несложного солнечного нагревателя с простейшим и вместе с тем высокоэффективным коллектором и облегченным параболическим рефлектором с самозащитой от атмосферных осадков, обеспечивающей надежную и долговечную работу нагревательной установки практически без ухода за ее рабочими поверхностями.The objective of the technical solution underlying the claimed device is the creation of a simple solar heater with a simple and at the same time highly efficient collector and a lightweight parabolic reflector with self-protection from atmospheric precipitation, which ensures reliable and durable operation of the heating system with virtually no maintenance on its working surfaces.

Эта задача решается тем, что в предлагаемом солнечном нагревателе, имеющем коллектор в прозрачной теплоизолирующей оболочке, с параболическим рефлектором, оснащенным автоматическим устройством ориентации на источник излучения, согласно изобретению коллектор выполнен в виде коаксиальной трубной конструкции с продольным размером ее абсорбера, превышающим продольный размер параболического рефлектора, а последний оснащен приводом, обеспечивающим наряду с автоматическим поддержанием ориентации на Солнце в рабочем режиме также автоматический поворот параболоида на время перерыва солнечного облучения в верхнее положение, при котором все рабочие поверхности устройства закрыты от атмосферных осадков.This problem is solved in that in the proposed solar heater having a collector in a transparent heat-insulating shell with a parabolic reflector equipped with an automatic device for orientation to the radiation source, according to the invention, the collector is made in the form of a coaxial tube structure with a longitudinal dimension of its absorber exceeding the longitudinal size of the parabolic reflector and the latter is equipped with a drive, which, along with the automatic maintenance of orientation to the Sun in the operating mode, also provides an automatic the rotation of the paraboloid during the break of solar irradiation to the upper position, in which all the working surfaces of the device are closed from atmospheric precipitation.

Коаксиальный трубный абсорбер позволяет упростить теплообменник, снизить теплопотери и обеспечить удобство его сопряжения с внешними трубопроводами, поскольку при данной конструкции входной и выходной патрубки располагаются у основания заявляемого устройства, то есть в наиболее удобном месте для подключения системы обогрева.Coaxial tube absorber allows you to simplify the heat exchanger, reduce heat loss and ensure the convenience of its interface with external pipelines, since with this design the inlet and outlet pipes are located at the base of the claimed device, that is, in the most convenient place for connecting the heating system.

Увеличенная по сравнению с размером параболоида длина абсорбера позволяет при ориентации на источник излучения обходиться без ее коррекции на изменение солнечного склонения, так как отраженные лучи, выходящие за пределы самого рефлектора, все равно упадут на абсорбер. В данном случае такое техническое решение по эффективности равносильно оснащению рефлектора плоскими торцовыми стенками с внутренними зеркальными поверхностями, усложняющему конструкцию и снижающему ее устойчивость против ветровых нагрузок.The longer the absorber compared with the size of the paraboloid, when oriented to the radiation source, it can do without its correction for changes in solar declination, since the reflected rays extending beyond the reflector itself will still fall on the absorber. In this case, such a technical solution in terms of efficiency is equivalent to equipping the reflector with flat end walls with internal mirror surfaces, which complicates the structure and reduces its stability against wind loads.

Оснащение привода рефлектора простейшей автоматикой, обеспечивающей поворот последнего в верхнее положение при отсутствии солнечного облучения, позволяет предупредить всякое воздействие дождя, града, снега или гололеда на рабочие поверхности абсорбера и отражателя.Equipping the reflector drive with the simplest automation, which ensures the rotation of the reflector to the upper position in the absence of solar radiation, can prevent any impact of rain, hail, snow or ice on the working surfaces of the absorber and reflector.

Устройство предлагаемого солнечного нагревателя поясняется чертежами: на фиг. 1 показан общий вид с продольным разрезом рефлектора, на фиг. 2 изображено его поперечное сечение, на фиг. 3 - разрез верхнего участка абсорбера.The device of the proposed solar heater is illustrated by drawings: in FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a reflector; FIG. 2 shows its cross section, FIG. 3 - section of the upper portion of the absorber.

На опорном основании 1 расположена стойка 2 высотой, обеспечивающей все требования безопасной работы данного устройства. На стойке 2 установлен под углом φ к горизонтали, соответствующим географической широте данной местности, коллектор 3, ось которого расположена в плоскости меридиана, т.е. параллельно земной оси. Коллектор 3 выполнен в виде цилиндрического абсорбера 4 с селективным покрытием, защищенного от теплопотерь поликарбокатной оболочкой 5 с вакуумированным разделяющим пространством. Внутри абсорбера 4 расположена отводящая теплоноситель труба 6 с отверстиями в стенке у верхнего конца, которая имеет термоизоляционное покрытие, например, известными органосиликатным составом «Силтэк», «Броня», «Корунд» и т.п. Сама же стойка 2, являющаяся также звеном в контуре подачи теплоносителя, тоже имеет наружную теплоизоляцию.On the supporting base 1 is a rack 2 in height, providing all the requirements for the safe operation of this device. On the rack 2, a collector 3, the axis of which is located in the plane of the meridian, is installed at an angle φ to the horizontal corresponding to the geographical latitude of the area parallel to the earth’s axis. The collector 3 is made in the form of a cylindrical absorber 4 with a selective coating, protected from heat loss by a polycarbonate shell 5 with a vacuum separating space. Inside the absorber 4, there is a heat transfer pipe 6 with holes in the wall at the upper end, which has a heat-insulating coating, for example, with the well-known organosilicate composition Siltek, Bronya, Corundum, etc. The rack 2 itself, which is also a link in the coolant supply circuit, also has external thermal insulation.

Параболоцилиндрический рефлектор 7 оснащен полноповоротным приводом 8, в схеме автоматического управления которым имеются фотодатчики прямого солнечного излучения. Фотодатчик 9 всегда доступен солнечным лучам, два других фотодатчика 10 задействованы в системе слежения, и при строгой ориентации устройства на Солнце оба одновременно скрыты от него шторкой 11.The para-cylindrical reflector 7 is equipped with a full-rotary drive 8, in the automatic control circuit of which there are photosensors of direct solar radiation. The photosensor 9 is always accessible to the sun, two other photosensors 10 are involved in the tracking system, and when the device is strictly oriented to the Sun, both are simultaneously hidden from it by a shutter 11.

Сам рефлектор 7, изготовленный, например, из листового металла с зеркальной рабочей поверхностью, собран из отдельных секций, позволяющих унифицировать эти модули при изготовлении нагревателей различной мощности. Секции имеют предельно простую конструкцию, состоящую из каркаса с параболическими направляющими из легкого металлопроката (например, уголка) и скрепленного с ними и с их связями металлического листа, что обеспечивает необходимую жесткость и постоянство формы всей секции. Установки с большим количеством таких секций - при работе в условиях повышенных ветровых и снеговых нагрузок - могут быть оснащены дополнительной опорой, связанной с верхним концом коллектора 3. К средней части верхней кромки рефлектора 7 примыкает защитный козырек 12.The reflector 7 itself, made, for example, of sheet metal with a mirror working surface, is assembled from separate sections, which make it possible to unify these modules in the manufacture of heaters of various capacities. The sections have an extremely simple design, consisting of a frame with parabolic guides made of light metal (for example, a corner) and a metal sheet fastened with them and with their connections, which ensures the necessary rigidity and constancy of the shape of the entire section. Installations with a large number of such sections — when operating under conditions of increased wind and snow loads — can be equipped with an additional support associated with the upper end of the collector 3. A protective visor 12 is adjacent to the middle part of the upper edge of the reflector 7.

При необходимости резервирования энергоисточника для работы привода 8, а также нагнетателя в системе циркуляции теплоносителя заявляемое устройство комплектуется автономным, например, солнечным источником электроэнергии с аккумулятором, которые во всем своем многообразии находятся ныне в массовом производстве.If it is necessary to reserve an energy source for the operation of the drive 8, as well as the supercharger in the coolant circulation system, the claimed device is equipped with an autonomous, for example, solar source of electricity with a battery, which in its entirety is now in mass production.

Солнечный нагреватель работает следующим образом. При наличии прямого излучения фотодатчик 9 включает привод в системе циркуляции теплоносителя, датчик потока последнего запускает привод 8, поворачивающий рефлектор 7 в сторону освещенного фотодатчика 10. При этом второй датчик 10, находящийся за пластиной - кронштейном шторки 11, - обязательно оказывается в тени. Как только оба фотодатчика 10 закрываются от солнца этой шторкой, привод 8 останавливается: солнце окажется примерно в плоскости симметрии рефлектора 7, а отраженные им лучи сфокусируются на абсорбере 4, нагреют его, а следовательно, и теплоноситель, который через отводящую трубу 6 проследует вниз, т.е. в систему теплоснабжения. Теплопотери в окружающее пространство резко снижаются благодаря селективному покрытию абсорбера 4, задержке его прозрачной оболочкой 5 инфракрасного излучения и вакуумированному пространству между ними. Дальнейшая ориентация рефлектора 7 поддерживается автоматически - короткими включениями привода 8 при смещении Солнца и срабатывании оказавшегося под его прямыми лучами фотодатчика 10.Solar heater works as follows. In the presence of direct radiation, the photosensor 9 turns on the drive in the coolant circulation system, the flow sensor of the latter starts the drive 8, turning the reflector 7 towards the illuminated photosensor 10. At the same time, the second sensor 10, which is behind the plate — the arm of the curtain 11 — is sure to be in the shade. As soon as both photosensors 10 are closed from the sun by this shutter, the drive 8 stops: the sun will be approximately in the plane of symmetry of the reflector 7, and the rays reflected by it will be focused on the absorber 4, will heat it, and therefore the heat carrier, which will pass downward through the discharge pipe 6, those. in the heat supply system. Heat loss to the surrounding space is sharply reduced due to the selective coating of the absorber 4, its delay by the transparent shell 5 of infrared radiation and the vacuum space between them. The further orientation of the reflector 7 is supported automatically - by short switching on of the drive 8 when the Sun is displaced and when the photosensor 10, which appears under its direct rays, is triggered.

При сезонном изменении солнечного склонения отраженные лучи падают также на участки коллектора 3 за пределами торцов рефлектора 7, в результате чего общее теплопоглощение абсорбера 4 практически не снижается.With a seasonal change in solar declination, reflected rays also fall on sections of the collector 3 outside the ends of the reflector 7, as a result of which the total heat absorption of the absorber 4 practically does not decrease.

При исчезновении прямого солнечного облучения, после некоторой выдержки времени, отключается циркуляция теплоносителя, а рефлектор 7 поворачивается в положение, показанное на фиг. 2 штрихпунктирной линией, закрывая собой и козырьком 12 все рабочие поверхности устройства от возможных атмосферных осадков.When direct solar radiation disappears, after some time delay, the coolant circulation is turned off, and the reflector 7 is rotated to the position shown in FIG. 2 dashed-dotted line, covering itself and the visor 12 all the working surfaces of the device from possible atmospheric precipitation.

С появлением Солнца устройство возвращается в рабочее положение.With the advent of the sun, the device returns to its working position.

Таким образом, простейшая конструкция предлагаемого солнечного нагревателя обеспечивает его высокоэффективную работу в режиме автоматического слежения, повышает его эксплуатационный ресурс благодаря надежной защите всех рабочих поверхностей от всяких атмосферных осадков, а также гололеда (обледенения), устраняет необходимость выполнения работ по очистке этих поверхностей.Thus, the simplest design of the proposed solar heater ensures its highly efficient operation in automatic tracking mode, increases its operational life due to the reliable protection of all work surfaces from all kinds of precipitation, as well as ice (icing), eliminates the need to perform work on cleaning these surfaces.

Claims

A solar heater with protection against atmospheric precipitation, having a collector in a transparent heat-insulating shell, with a parabolic reflector equipped with an automatic device for orientation to the radiation source, characterized in that the collector is made in the form of a coaxial tube design with an absorber length exceeding the longitudinal dimension of the parabolic reflector, and the last equipped with a drive that, along with the automatic maintenance of the reflector's orientation to the Sun in the operating mode, also provides automatic turn for the time of lack of solar radiation to the upper position, providing protection of all working surfaces of the device from precipitation.