RU2601321C1

RU2601321C1 - Solar collector tubular panel

Info

Publication number: RU2601321C1
Application number: RU2015128700/06A
Authority: RU
Inventors: Андрей Леонидович Шпади
Original assignee: Андрей Леонидович Шпади
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2016-11-10

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and solar power engineering and can be used as solar power plant element, converting and preserving Sun radiation energy in form of thermal energy for hot water supply, heating and air conditioning in buildings and structures. Tubular solar collector panel includes tight housing with heat exchange channel, number of transparent coaxial pipes with absorbent coating and plugs, hollow heat rods with evaporators, condensers and heat-absorbing plates, which thermally contacting with heat rods through layer of heat-conducting material. Design features of tubular panel consist in, that heat conducting layer and absorbent coating are made in form of volumetric absorber from heat-retaining material with phase transition and properties of semitransparent black body, which fills all free space of internal tubes between heat rods and heat-absorbing plates, rolled into cylindrical spring, in which each turn is made in form of Mobius band, cut and shifted along axis on its forming plate width for smooth transition into neighboring coil of cylindrical spring.

EFFECT: invention shall improve efficiency and reliability of manifold, exclude mechanical drives, provide combined absorber and heat accumulator functions for heat carrier heating uniformity in difficult operating conditions.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и гелиотехнике и может использоваться как элемент солнечной энергетической установки, преобразующей и сохраняющей энергию излучения солнца в виде тепловой энергии для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в зданиях и сооружениях.The invention relates to a power system and solar technology and can be used as an element of a solar power installation that converts and stores the energy of solar radiation in the form of thermal energy for hot water supply, heating and air conditioning in buildings and structures.

Известна панель солнечного коллектора, содержащая корпус коллектора с теплообменным каналом, в который выходят тепловые стержни вакуумных тепловых труб (http://www.optonimpex.com/). Вакуумная тепловая труба представляет собой пустотелую круглую трубу с двойными стенками, сделанную из прозрачного сверхпрочного боросиликатного стекла, покрытого изнутри специальным селективным покрытием (A1-N/A1), которое обеспечивает поглощение тепла облучения с минимальным отражением.A solar panel panel is known comprising a collector body with a heat exchange channel into which thermal rods of vacuum heat pipes exit (http://www.optonimpex.com/). The vacuum heat pipe is a hollow round double-walled pipe made of transparent heavy-duty borosilicate glass coated inside with a special selective coating (A1-N / A1), which ensures the absorption of radiation heat with minimal reflection.

В каждую вакуумированную трубу встроен медный тепловой стержень, который представляет собой полый медный цилиндр, запаянный с обоих концов с расширением в верхней части (конденсатором). Внутри прозрачной вакуумной трубы установлена плоская поглощающая пластина с алюминиевыми ребрами, соединенная с тепловым стержнем (_tubes_types.htm). Форма ребер такова, что площадь их контакта с тепловым стержнем максимальна. Такая конструкция обеспечивает максимальную передачу тепла к медному тепловому стержню, а потом жидкому теплоносителю. Медный тепловой стержень внутри полый, также вакуумированный, и содержит неорганическую нетоксичную жидкость, испаряющуюся даже при температуре около 26-30 градусов Цельсия. При нагревании жидкости образовавшийся пар поднимается к наконечнику (конденсатору) теплового стержня, где тепло отдается воде или антифризу, которая течет по теплообменному каналу корпуса коллектора. Отдав тепло, пар конденсируется и стекает обратно вниз по тепловому стержню, где процесс повторяется сначала.A copper thermal rod is built into each evacuated pipe, which is a hollow copper cylinder sealed at both ends with an extension in the upper part (capacitor). Inside the transparent vacuum tube there is a flat absorbing plate with aluminum fins connected to a heat rod (_tubes_types.htm). The shape of the ribs is such that the area of their contact with the thermal rod is maximum. This design provides maximum heat transfer to the copper heat rod, and then to the heat transfer fluid. The copper thermal core is hollow inside, also evacuated, and contains an inorganic non-toxic liquid that evaporates even at a temperature of about 26-30 degrees Celsius. When the liquid is heated, the resulting vapor rises to the tip (condenser) of the heat rod, where heat is given to water or antifreeze, which flows through the heat exchange channel of the collector body. Having given off heat, the steam condenses and flows back down the heat core, where the process is repeated again.

Недостаток приведенной панели солнечного коллектора заключается в том, что поглощающая пластина неподвижна, т.е. поверхность пластины всегда направлена в одну сторону и не позволяет ориентировать ее под оптимальным углом к лучам солнца, а вследствие неплотного прилегания теплопоглощающей пластины к поверхности теплового стержня возможны тепловые потери.The disadvantage of this solar collector panel is that the absorbing plate is stationary, i.e. the surface of the plate is always directed in one direction and does not allow it to be oriented at an optimal angle to the rays of the sun, and due to the loose fit of the heat-absorbing plate to the surface of the heat rod, heat losses are possible.

Технология нанесения селективного слоя на поверхность тепловой трубы сложная и дорогостоящая.The technology of applying a selective layer to the surface of a heat pipe is complex and expensive.

Известна также панель солнечного коллектора, содержащая тепловую вакуумную трубу с тепловым стержнем «Heat Pipe» по патенту на полезную модель РФ №94316, которую по своим конструктивным признакам можно выбрать в качестве прототипа.A solar collector panel is also known, containing a heat vacuum tube with a heat core “Heat Pipe” according to the patent for utility model of the Russian Federation No. 94316, which by its design features can be selected as a prototype.

Конструктивные особенности панели солнечного коллектора заключаются в том, что тепловые стержни вместе с поглощающими пластинами выполнены с возможностью проворачивания вокруг своей оси при помощи привода, что дает возможность ориентировать одновременно все поверхности поглощающих пластин перпендикулярно лучам солнца для увеличения теплоотдачи, или же параллельно солнечным лучам для уменьшения теплоотдачи. Промежуток между тепловыми стержнями и поглощающими пластинами заполнен теплопередающей пастой КПТ-1, способствующей максимальной передаче тепла от поглощающих пластин к тепловым стержням. С целью повышения коэффициента поглощения и отражения излучения солнца, селективное покрытие нанесено на одну из поверхностей теплопоглощающей пластины. Противолежащая поверхность теплопоглощающей пластины снабжена теплоотражающим покрытием.The design features of the solar collector panel are that the thermal rods together with the absorbing plates are made to rotate around their axis by means of a drive, which makes it possible to orient all surfaces of the absorbing plates at the same time perpendicular to the sun's rays to increase heat transfer, or parallel to the sun's rays to reduce heat transfer. The gap between the thermal rods and the absorbing plates is filled with heat transfer paste KPT-1, which contributes to the maximum transfer of heat from the absorbing plates to the thermal rods. In order to increase the absorption coefficient and reflection of solar radiation, a selective coating is applied to one of the surfaces of the heat-absorbing plate. The opposite surface of the heat-absorbing plate is provided with a heat-reflecting coating.

Недостатками данного прототипа являются конструктивная сложность, низкая надежность и эффективность.The disadvantages of this prototype are structural complexity, low reliability and efficiency.

Задачей изобретения является повышение эффективности, надежности и упрощение конструкции солнечного коллектора путем исключения механических приводов и совмещение функций абсорбера и теплоаккумулятора для равномерности нагрева его теплоносителя в сложных условиях эксплуатации.The objective of the invention is to increase the efficiency, reliability and simplification of the design of the solar collector by eliminating mechanical drives and combining the functions of the absorber and the heat accumulator for uniform heating of its coolant in difficult operating conditions.

Для достижения этой цели трубчатая панель солнечного коллектора, включающая герметичный корпус коллектора с теплообменным каналом, ряд прозрачных коаксиальных труб с абсорбирующим покрытием и пробками, полые тепловые стержни с испарителями, конденсаторами и теплопоглощающими пластинами, которые термически контактируют с тепловыми стержнями через слой теплопроводящего материала, согласно изобретению теплопроводящий слой и абсорбирующее покрытие выполнены в виде объемного абсорбера из теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом плавления и оптическими свойствами полупрозрачного черного тела, вроде зачерненного парафина, который заполняет все свободное пространство внутренних труб между тепловыми стержнями и теплопоглощающими пластинами, свернутыми в цилиндрическую пружину, у которой каждый виток выполнен в виде пояса Мебиуса, разрезанного и сдвинутого вдоль оси на ширину образующей его пластины для плавного перехода в соседний виток цилиндрической пружины.To achieve this, a solar collector tube panel including a sealed collector body with a heat exchange channel, a series of transparent coaxial tubes with an absorbent coating and plugs, hollow heat rods with evaporators, condensers and heat-absorbing plates that are thermally contacted with heat rods through a layer of heat-conducting material, according to According to the invention, the heat-conducting layer and the absorbent coating are made in the form of a volume absorber from a heat-accumulating material with a phase transition the melting process and the optical properties of a translucent black body, such as blackened paraffin, which fills the entire free space of the inner tubes between the heat rods and heat-absorbing plates rolled into a coil spring, in which each coil is made in the form of a Moebius belt, cut and shifted along the axis by the width of the generatrix its plates for a smooth transition into the adjacent coil of a coil spring.

При этом пробки коаксиальных труб имеют возможность монтажного поворота в герметичном корпусе коллектора и снабжены эксцентричным отверстием для фиксации тепловых стержней, а межтрубное пространство коаксиальных труб вакуумированного торцевой сваркой.At the same time, coaxial tube plugs have the possibility of mounting rotation in a sealed collector housing and are equipped with an eccentric hole for fixing thermal rods, and the annular space of coaxial tubes is evacuated by end welding.

Упрощенная безвакуумная конструкция трубчатой панели имеет в межтрубном пространстве с воздухом гибкую пластиковую сетку, которая центрирует внутреннею трубу из термостойкого стекла относительно пробки и наружной трубы, изготовленной из прозрачного пластика или склеенной из прозрачной пластиковой пленки с концевой теплоизолирующей заглушкой, а охватывающая тепловые стержни цилиндрическая пружина имеет овальное сечение и навита из металлической проволоки или шинки прямоугольного сечения.The simplified non-vacuum design of the tubular panel has a flexible plastic mesh in the annulus with air, which centers the inner tube of heat-resistant glass relative to the cork and the outer tube made of transparent plastic or glued from a transparent plastic film with an end heat-insulating plug, and a coil spring covering the thermal rods has oval section and wound from a metal wire or rectangular splint.

Такая конструкция трубчатой панели солнечного коллектора позволяет упростить изготовление и выполнить его основные функциональные элементы из одного материала с использованием простейших технологических приемов.This design of the tubular panel of the solar collector makes it possible to simplify the manufacture and perform its basic functional elements from one material using the simplest technological methods.

Конструкция трубчатой панели солнечного коллектора приведена на чертеже: где на Фиг. 1 показан вид снизу на поперечный разрез коаксиальных трубок, а на Фиг. 2 изображена трехмерная матмодель отрезка теплового стержня и теплопоглощающей цилиндрической пружины с мебиусными витками.The design of the tubular panel of the solar collector is shown in the drawing: where in FIG. 1 shows a bottom cross-sectional view of coaxial tubes, and FIG. 2 shows a three-dimensional matmodel of a segment of a heat rod and a heat-absorbing coil spring with Moebius coils.

Конструкция включает наружную вакуумную трубу из боросиликатного стекла без селективного покрытия с такой же коаксиальной внутренней трубой 2, в полости которой установлен полый тепловой стержень 3 стандартного типа, частично заполненный легкокипящей жидкостью (испарителем) и снабженный торцевым конденсатором, расположенным в теплообменном канале герметичного корпуса 4 солнечного коллектора (Фиг. 1, конденсатор не показан). Торец вакуумной трубы закрыт пробкой 5, через которую проходит тепловой стержень 3, охваченный теплопоглощающей пластиной, свернутой в цилиндрическую пружину 6, у которой каждый виток выполнен в виде пояса Мебиуса, разрезанного и сдвинутого вдоль оси на ширину образующей его пластины для плавного перехода в соседний виток цилиндрической пружины 6. Все свободное пространство внутренних труб между тепловыми стержнями 3 и пружиной 6 заполнено объемным абсорбером из теплоаккумулирующего материала 7 с фазовым переходом плавления, например из парафина, с присадкой битума или мелкодисперсной сажи 5-10%, придающих парафину оптические свойства полупрозрачного черного тела, подобного смотровому стеклу сварщика.The design includes an outer vacuum tube made of borosilicate glass without selective coating with the same coaxial inner tube 2, in the cavity of which a hollow heat rod 3 of a standard type is installed, partially filled with a low-boiling liquid (evaporator) and equipped with an end condenser located in the heat exchange channel of the hermetic casing 4 of the solar collector (FIG. 1, capacitor not shown). The end of the vacuum pipe is closed by a stopper 5, through which a thermal rod 3 passes, covered by a heat-absorbing plate rolled into a cylindrical spring 6, in which each coil is made in the form of a Moebius belt, cut and shifted along the axis by the width of its plate for a smooth transition into the adjacent coil coil spring 6. All the free space of the inner tubes between the heat rods 3 and the spring 6 is filled with a volumetric absorber from heat storage material 7 with a melting phase transition, for example from arafina, bitumen with an additive or 5-10% fine carbon black imparting a translucent optical properties paraffin black body, like the sight glass welder.

Пробки 5 коаксиальных труб 1 и 2 имеют возможность монтажного поворота +40° и в герметичном корпусе коллектора 4 и снабжены эксцентричным отверстием для фиксации тепловых стержней 3 с пружинами 6, обращенных узкими ребрами витков Мебиуса в преимущественном направлении солнечного облучения (Фиг. 2; труба теплового стержня 3 изображена полупрозрачной).The plugs 5 of coaxial pipes 1 and 2 have a mounting turn of + 40 ° in the sealed housing of the collector 4 and are equipped with an eccentric hole for fixing the heat rods 3 with springs 6 facing the narrow ribs of the Moebius turns in the preferred direction of solar radiation (Fig. 2; thermal pipe rod 3 is shown translucent).

Упрощенная безвакуумная конструкция трубчатой панели имеет в межтрубном пространстве с воздухом гибкую пластиковую сетку 8, которая центрирует внутреннею трубу 2 из термостойкого стекла относительно пробки 5 и наружной трубы 1, изготовленной из прозрачного ударопрочного пластика или склеенной из прозрачной пластиковой пленки с концевой теплоизолирующей заглушкой (на чертеже не показана). При этом охватывающая тепловые стержни 3 цилиндрическая пружина 6 может иметь овальное сечение для коаксиальной фиксации теплового стержня 3 и навиваться из круглой металлической проволоки или шинки прямоугольного сечения, например алюминиевой, которая обычно используется в силовых трансформаторах.The simplified non-vacuum design of the tubular panel has a flexible plastic mesh 8 in the annulus with air, which centers the inner tube 2 of heat-resistant glass relative to the cork 5 and the outer tube 1, made of transparent impact-resistant plastic or glued from a transparent plastic film with an end heat-insulating plug (in the drawing not shown). In this case, the coil spring 6 enclosing the thermal rods 3 may have an oval cross-section for coaxially fixing the thermal rod 3 and be wound from a round metal wire or a rectangular bar, for example aluminum, which is commonly used in power transformers.

Предлагаемая панель солнечного коллектора работает следующим образом.The proposed solar panel works as follows.

Панель солнечного коллектора в собранном виде устанавливают на скате крыши здания, ориентированной преимущественно в южном направлении. Если плоскость ската крыши не ориентирована, в направлении север-юг, то производят монтажную корректировку азимута вращением коаксиальных труб 1 и 2 вместе с пробками 5 до расчетного угла (Фиг. 1). В этом случае солнечное облучение проникает довольно глубоко между витками пружины 6, обеспечивая равномерный прогрев теплоаккумулирующего материала 7 даже при высоком коэффициенте отражения теплового стержня 3, так как отраженное им излучение должно опять пройти через светопоглощающий слой теплоаккумулирующего материала, прежде чем выйдет наружу с большим ослаблением, что и обеспечивает хороший КПД такого объемного абсорбера по сравнению с поверхностным селективным покрытием. Фактически это термический аналог микроволновой печи, тогда как таким же аналогом поверхностного абсорбера является обычная сковорода.The assembled solar panel is installed on the roof slope of the building, oriented mainly in the south direction. If the plane of the roof slope is not oriented, in the north-south direction, then the azimuth is adjusted by rotation of the coaxial pipes 1 and 2 together with plugs 5 to the design angle (Fig. 1). In this case, the solar radiation penetrates quite deeply between the coils of the spring 6, ensuring uniform heating of the heat storage material 7 even with a high reflection coefficient of the heat rod 3, since the radiation reflected by it must again pass through the light-absorbing layer of the heat storage material before it comes out with great attenuation, which ensures good efficiency of such a volumetric absorber compared to a surface selective coating. In fact, it is a thermal analogue of a microwave oven, while the same analogue of a surface absorber is a conventional frying pan.

При нагревании тепло от объемного абсорбера из теплоаккумулирующего материала 7 через хорошо проводящие витки цилиндрической пружины 6 передается тепловым стержням 3. Находящаяся в тепловом стержне жидкость закипает и в парообразном состоянии поднимается к верхнему наконечнику (конденсатору) теплового стержня, где тепло отдается теплоносителю (например, воде или антифризу), который течет по теплообменному каналу в герметичном корпусе коллектора 4. Отдав тепло, пар конденсируется и стекает обратно вниз по тепловому стержню, где процесс повторяется сначала с высокой эффективность даже в упрощенном варианте конструкции, так как теплоаккумулирующий материал 7 оперативно сглаживает пульсации нагрева, обусловленные переменной облачностью и временной стагнацией теплоносителя.When heated, heat from a volumetric absorber from a heat-accumulating material 7 is transmitted through heat-conducting coils of a coil spring 6 to the heat rods 3. The liquid in the heat rod boils and rises to the upper tip (condenser) of the heat rod in the vapor state, where heat is transferred to the heat carrier (for example, water or antifreeze), which flows through the heat exchange channel in the sealed housing of the collector 4. Having given off heat, steam condenses and flows back down the heat rod, where the process At first it is repeated with high efficiency even in a simplified version of the design, since the heat storage material 7 quickly smooths out heating pulsations due to variable cloudiness and temporary stagnation of the coolant.

Причем объединение функций абсорбера и теплоаккумулятора позволяет существенно упростить технологию изготовления коллектора при одновременном повышении его КПД за счет создания оригинальной пружинной конструкции теплопоглощающих пластин с витками Мебиуса и хорошими оптическими и теплотехническими свойствами при небольшом количестве исходных деталей и стандартной форме основных конструктивных элементов солнечного коллектора, что существенно облегчает модернизацию существующего производства солнечных коллекторов с вакуумными тепловыми трубами.Moreover, combining the functions of an absorber and a heat accumulator makes it possible to significantly simplify the manufacturing technology of the collector while increasing its efficiency by creating an original spring design of heat-absorbing plates with Moebius turns and good optical and heat engineering properties with a small number of initial parts and the standard form of the main structural elements of the solar collector, which is essential facilitates the modernization of existing production of solar collectors with vacuum heat pipes.

Claims

1. The tubular panel of the solar collector, including a sealed collector body with a heat exchange channel, a series of transparent coaxial tubes with an absorbent coating and plugs, hollow heat rods with evaporators, condensers and heat-absorbing plates that are thermally in contact with heat rods through a layer of heat-conducting material, characterized in that this heat-conducting layer and the absorbent coating are made in the form of a volumetric absorber from a heat-accumulating material with a phase transition of melting and optical properties of a translucent black body that fills the entire free space of the inner tubes between the heat rods and heat-absorbing plates rolled into a cylindrical spring, in which each turn is made in the form of a Moebius belt, cut and shifted along the axis by the width of its forming plate for a smooth transition to the neighboring coil spring.

2. The tubular panel according to claim 1, characterized in that the tubes of evacuated coaxial pipes have the possibility of mounting rotation in a sealed collector housing and are equipped with an eccentric hole for fixing thermal rods placed in asymmetric coils of the Moebius belt.

3. The tubular panel according to claim 1, characterized in that a flexible plastic mesh is placed in the annulus with air, the inner tube is made of heat-resistant glass, and the outer one is made of transparent impact-resistant plastic or glued from a transparent plastic film with an end cap.

4. The tubular panel according to claim 1, characterized in that the cylindrical spring that encompasses the thermal rods has an oval section and is wound from a metal wire or rectangular bar.