Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса
Владельцы патента RU 2560850:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" (RU)
Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса (АСКЭК) относится к возобновляемым источникам энергии. Коллектор предназначен для поглощения солнечной радиации и преобразования ее в тепловую и электрическую энергию в целях обеспечения горячего водоснабжения независимо от традиционных источников энергии жилых и нежилых помещений различного назначения. Коллектор содержит пластиковый одно- или двухкамерный корпус с алюминиевыми вставками для придания жесткости корпусу; плоскую прозрачную изоляцию из сотового поликарбоната; теплопоглощающую панель из медного или алюминиевого волнистого листа, внешняя поверхность которого имеет высокоселективное покрытие, медный или алюминиевый трубчатый коллектор; теплоаккумулирующую алюминиевую стружку, заполняющую пространство между поглощающей панелью и задней стенкой корпуса, уплотняющую теплостойкую резину; треугольную пластмассовую уплотнительную рамку, заднюю стенку из армированного сотового поликарбоната, внутренняя и внешняя поверхности которого окрашены теплоизолирующей краской; светоотражающую фольгу, наклеенную с помощью термостойкого клея на внутреннюю поверхность задней стенки поверх теплоизолирующей краски, пленочные солнечные батареи на алюминиевом каркасе параболического профиля. Использование коллектора должно повысить эффективность использования энергии Солнца. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.
Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса (АСКЭК) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности энергии Солнца. АСКЭК предназначен для поглощения солнечной радиации и преобразования ее в тепловую и электрическую энергию с целью горячего водоснабжения независимо от традиционных источников энергии жилых и нежилых помещений различного назначения, в том числе и полевого размещения. Цель изобретения: повышение эффективности использования энергии Солнца, автоматизации процесса горячего водоснабжения, снижение веса и себестоимости АСКЭК, а также снижение выбросов парниковых газов за счет замены электроэнергии, вырабатываемой тепловыми и электростанциями для обеспечения горячего водоснабжения. Следует отметить, что к трем основным загрязнителям атмосферы теплоэлектростанциями, связанным с производством и потреблениям тепловой и электрической энергии от тепловых электростанций, относятся оксиды СО2, SO2,0 NO2. Уровни загрязнения указанными оксидами и их уменьшение применительно к работе рассматриваемого АСКЭК площадью 1 м2 за семь месяцев (март - сентябрь для средней полосы РФ) представлены в таблице.
Известно изобретение (патент RU 2272969, МТЖ F24J 2/26, 2006), представляющее конструкцию солнечного коллектора с теплоприемной панелью, стойкой к периодическим снижениям температуры наружного воздуха до отрицательных температур и замерзанию теплоносителя. Теплоприемная панель солнечного коллектора состоит из двух гофрированных листов, образующих совместно проточные каналы, которые имеют компенсационные участки, расположенные в местах сопряжения гофрированных участков с плоскими участками, при этом гофрированные листы соединены посередине плоских участков. Изобретение должно обеспечить компенсацию расширений в пределах упругости материала при замерзании теплоносителя и выдерживание избыточных напряжений, что повышает стойкость солнечного коллектора к разрушению. Недостатком данной конструкции является то, что в плоских участках затруднено движение теплоносителя, что приводит к локальному перегреву этих участков, если применен материал гофры недостаточной теплопроводности или толщины. Данная конструкция теплоприемной панели из тонкостенного материала предопределяет эксплуатацию при пониженных давлениях теплоносителя, поскольку повышение давления теплоносителя приведет к преждевременной деформации плоских компенсационных участков теплоприемной панели, что в свою очередь снизит надежность конструкции при замерзании теплоносителя. Повысить рабочее давление теплоносителя возможно, уменьшая размер каналов в поперечном направлении, т.е. соответственно увеличивает их количество в теплоприемной панели и увеличивает количество сварных работ, что приводит к существенному удорожанию конструкции. Присоединение теплоприемной панели к коллекторным трубам возможно двумя способами: коллекторные трубы выполнены отдельно и присоединяются клеевым соединением, сваркой или пайкой; коллекторные трубы выполнены заодно с теплоприемной панелью методом штамповки гофров теплоприемной панели. Сказанное приводит к выводу, что конструкция солнечного коллектора сложна в изготовлении и имеет высокую себестоимость, а также низкую надежность при зимней эксплуатации. Известен патент [2] RU 2253808 С1, МПК F24J/2/24, от 10.09.2005. Коллектор солнечной энергии, содержащий внутреннюю стеклянную оболочку с прикрепленными к ней трубками для подвода и отвода жидкости и с нанесенным на ее наружную поверхность энергопоглощающим покрытием, помещенную во внешнюю оболочку, которая выполнена в виде плоского объема с полуцилиндрическими гранями по бокам. Внешняя оболочка снабжена симметрично расположенными продольными элементами, а внутренняя оболочка - разделительными стеклянными пластинами, которые выполнены в виде лабиринта. Внутренняя поверхность наружной оболочки выполнена зеркальной и с фронтальной стороны прозрачной для солнечных лучей, а с обратной стороны непрозрачной для солнечных лучей. Недостатком этого изобретения является наличие стеклянных трубок для подвода и отвода теплоносящей жидкости, внутренней и внешней оболочек а также стеклянных перегородок, делающих конструкцию хрупкой, что снижает ее надежность, кроме того, наличие вакуума в стеклянной оболочке коллектора не дает гарантии в надежной массовой эксплуатации данного типа коллекторов. Следует также отметить сложность специфической технологии изготовления внутренней и внешней стеклянных оболочек. Очевидно, стоимость коллектора будет высокой. Известно изобретение Солнечный тепловой коллектор [3] (патент RU №233021 С2, МПК F24J 24/36, от 20.07.2008), содержащий: рабочую панель с встроенным в нее трубчатым коллектором; подводящие и отводящие патрубки для теплоносителя; эластичную камеру, причем рабочая панель и встроенный в нее трубчатый коллектор изготовлены из пластичных полимерных материалов с высокими светотеплопоглощающими свойствами; рабочую сменную гофрированную теплопоглощающую эластичную пленку, а в качестве теплоносителя используется газ СО или CO2 или комбинация газа СО или CO2 с незамерзающей жидкостью (газированная жидкость); рабочую прозрачную пленку; принудительную систему развертывания коллектора. Недостатком данного изобретения является наличие опасного газа СО или CO2, техническая невозможность использования коллектора в отдельных жилых зданиях, а в мобильном варианте использования необходим запас газа, кроме того, трудно обеспечить герметичность конструкции при длительной эксплуатации. Известен Солнечный коллектор (патент [4] США №3395614, кл. F24J 3/02, 1976 г.), содержащий: корпус с прозрачной передней стенкой; поглощающую панель; поглотитель в виде продольной пластины с отверстиями; камеры, размещенные под отверстиями, открытыми со стороны пластины, причем отверстия в стенке каждой камеры выполнены в форме усеченного конуса, обращенного меньшим основанием к камере, а стенки последней выполнены в форме неполной сферы. Этот коллектор конструктивно сложен, требует длительного времени изготовления и специального технологического оборудования, а также имеет повышенную стоимость. В качестве прототипа принят патент RU 2272969, МПК F24J 2/26, 2006.
Технический результат заявленного изобретения достигается:
- наличием одно- или двухкамерного корпуса, выполненного из пластика, применяемого для стандартных оконных рам;
- наличием алюминиевых прямоугольных профильных вставок, помещаемых в камеры корпуса для придания жесткости однокамерному или двухкамерному корпусу;
- приданием медному или алюминиевому трубчатому коллектору конфигурации в виде лабиринта для организации эффективного прохождения воды или теплоносящей жидкости (далее теплоноситель) и возможности размещения входящих и выходящих патрубков медного или алюминиевого трубчатого коллектора для теплоносителя рядом, что с точки зрения технологии сборки и эксплуатации является рациональным;
- применением фигурных алюминиевых держателей для фиксации положения медного или алюминиевого трубчатого коллектора и поглощающей панели, изготовленной из медного или алюминиевого волнистого листа относительно задней стенки одно- или двухкамерного корпуса;
- применением теплоаккумулирующей алюминиевой стружки для заполнения пространства между медным или алюминиевым трубчатым коллектором, поглощающей панелью и задней стенкой в целях повышения теплопередачи к медному или алюминиевому трубчатому коллектору, а также для увеличения времени подогрева теплоносящей жидкости при переменной облачности и некотором времени после захода солнца за счет теплоаккумулирующего свойства алюминиевой стружки;
- применением поглощающей панели, изготовленной из медного или алюминиевого волнистого листа, что позволяет увеличить площадь воспринимаемой солнечной радиации, а также повысить эффективность работы АСКЭК при переменной облачности и некотором времени после захода Солнца;
- внешней поверхностью поглощающей панели, которая имеет высокоселективное покрытие и волнистую поверхность, что повышает эффективность работы АСКЭК при различных углах дневного солнцестояния;
- применением теплоизолирующей краски в целях уменьшения толщины АСКЭК по сравнению с традиционными утеплителями;
- наличием задней стенки, выполненной из армированного сотового поликарбоната, внешние поверхности которой окрашены теплоизолирующей краской;
- наличием светоотражающей фольги, приклеенной термостойким клеем к внутренней поверхности задней стенки поверх теплоизолирующей краски;
- наличием пленочной солнечной батареи (ПСБ), наклеенной на алюминиевый каркас параболической формы, который в свою очередь закреплен по периметру сверху одно- или двухкамерного корпуса;
- снижением себестоимости заявленного изобретения за счет применения в конструкции АСКЭК пластмассы, теплоизолирующей краски, теплоотражающей фольги, пластмассовых вставок с зеркальной поверхностью, обращенной во внутреннюю полость одно- или двухкамерного корпуса;
- автоматизацией процесса горячего водоснабжения за счет применения датчика температуры, литиевых аккумуляторных батарей (ЛАКБ), контроллера заряда-разряда (КЗР) ЛАКБ, пленочных солнечных батарей, циркуляционного насоса для теплоносителя (ЦН).
Сущность изобретения показана на следующих чертежах: Фиг. 1 - общий вид АСКЭК сверху; Фиг. 2 - вид АСКЭК сверху в разрезе; Фиг. 3 - вид АСКЭК сбоку в разрезе; Фиг. 4 - вид АСКЭК с торца в разрезе; Фиг. 5 - конструкции термостойких пластмассовых прямоугольных верхних и нижних вставок с зеркальной внутренней поверхностью и прямоугольных фигурных верхних и нижних вставок; Фиг.6 - принципиальная схема работы АСКЭК.
Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса содержит следующие составные части: пластиковый одно- или двухкамерный корпус 1 (на Фиг. 1, 2, 3, 4 как вариант показан двухкамерный корпус); алюминиевые вставки 2; плоскую прозрачную изоляцию 3, изготовленную из сотового поликарбоната; теплопоглощающую панель 4, изготовленную из медного или алюминиевого волнистого листа, внешняя поверхность которого имеет высокоселективное покрытие; медный или алюминиевый трубчатый коллектор 5, имеющий конфигурацию лабиринта; заднюю стенку 6, выполненную из армированного сотового поликарбоната, одно- или двухкамерного корпуса 1, внутренняя и внешняя поверхности которого окрашены теплоизолирующей краской; теплоаккумулирующую алюминиевую стружку 7, заполняющую пространство между поглощающей панелью 4 и задней стенкой 6; медные или алюминиевые держатели 8 для фиксации медной или алюминиевой теплопоглощающей панели 4 и медного или алюминиевого трубчатого коллектора 5 относительно задней стенки 6 одно- или двухкамерного корпуса 1; патрубки 9, 10 для подачи холодного и горячего теплоносителя соответственно; фторопластовые втулки 11 (Фиг. 1, 2) для изоляции и крепления патрубков 9, 10; светоотражающую фольгу 12, приклеенную к внутренней поверхности задней стенки 6 поверх теплоизолирующей краски термостойким клеем; термостойкую уплотняющую резину 13; уплотнительную пластмассовую рамку 14 треугольного сечения; верхнюю 15 и нижнюю 16 термостойкие прямоугольные пластмассовые вставки с зеркальной внутренней поверхностью; верхнюю 17 и нижнюю 18 фигурные термостойкие пластмассовые вставки с зеркальной внутренней поверхностью, причем эти зеркальные поверхности обращены во внутреннюю полость одно- или двухкамерного корпуса 1; пленочную солнечную батарею 19, наклеенную на алюминиевый каркас 20 параболического профиля в поперечном разрезе (Фиг. 1); контроллер заряда-разряда 21; датчик температуры 22, расположенный под теплопоглощающей панелью; циркуляционный насос 23; литиевые аккумуляторные батареи 24
Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса работает следующим образом. Солнечная радиация проникает через плоскую прозрачную изоляцию 3 и нагревает поглощающую панель 4, внешняя поверхность которой имеет высокоселективное покрытие. Теплопоглощающая панель 4 передает тепло медному или алюминиевому трубчатому коллектору 5, имеющему конфигурацию лабиринта (Фиг. 2), и теплоаккумулирующей алюминиевой стружке 7, заполняющей все пространство между теплопоглощающей панелью 4, изготовленной из медного или алюминиевого волнистого листа, медным или алюминиевым трубчатым коллектором 5 и задней стенкой 6. Таким образом, тепло солнечной радиации передается не только в месте контакта (Фиг. 2) медного или алюминиевого трубчатого коллектора 5 с поглощающейся панелью 4, а через теплоаккумулирующую алюминиевую стружку 7 всей внешней поверхности медного или алюминиевого трубчатого коллектора 5, что повышает эффективность использования АСКЭК энергии солнечной радиации. Наличие светоотражающих внутренних поверхностей вставок 15, 16, 17, 18, светоотражающий фольги 12, наклеенной поверх теплоизолирующей краски на внутренней поверхности задней стенки 6, способствует отражению световых и тепловых лучей на поглощающую панель 4, теплоаккумулирующую алюминиевую стружку 7 и на медный или алюминиевый трубчатый коллектор 5, что дополнительно повышает коэффициент использования солнечной радиации АСКЭК. Применение двойного слоя покраски теплоизолирующей краской внутренней и внешней сторон задней стенки 6 обеспечивает замену не менее 10-15 см слоя традиционного утеплителя, тем самым уменьшается габарит АСКЭК по толщине, а также снижается его вес. Наличие алюминиевых вставок 2, располагаемых в камерах корпуса 1, создает необходимую жесткость корпусу, что повышает надежность эксплуатации и срок службы АСКЭК, кроме того, камеры, заполненные воздухом, являются хорошими теплоизоляторами с боковых сторон одно- или двухкамерного корпуса 1. Патрубки 9, 10 к корпусу 1 крепятся фторопластовыми втулками 11, которые также обеспечивают их теплоизоляцию. Холодный теплоноситель подается через патрубок 9 и, проходя по медному или алюминиевому трубчатому коллектору 5, нагревается поглощающей панелью 4, теплоаккумулирующей алюминиевой стружкой 7 и отраженными от светоотражающих поверхностей вставок 15, 16, 17, 18 и фольги 12 световыми и тепловыми лучами, что повышает эффективность использования солнечной радиации АСКЭК. Горячий теплоноситель через патрубок 10 поступает, например, в бак-аккумулятор (не показан) и далее потребителям. Фиксация медного или алюминиевого трубчатого коллектора 5 и поглощающей панели 4 относительно задней стенки 6 осуществляется с помощью медных или алюминиевых держателей 8 (Фиг. 2, 3). Солнечная радиация, поступающая на поверхность пленочной солнечной батареи 19, наклеенной на алюминиевый каркас 20 параболического профиля в поперечном разрезе, вырабатывает в них электроэнергию, которая через контроллер заряда-разряда 21 аккумулируется в литиевых аккумуляторных батареях 24. Датчик температуры 22 при достижении температуры теплоносителя, равной 45°C, подключает в работу циркуляционный насос 23, который прокачивает теплоноситель через медный или алюминиевый трубчатый коллектор 5 и далее в систему горячего водоснабжения. Следует отметить, что технология изготовления и сборки АСКЭК максимально адаптирована к производству рамы пластикового окна, поэтому не требует специального технологического оборудования и осуществляется в цехах по сборке оконных рам, что существенно снижает себестоимость заявленного изобретения. Применение пластмассовых деталей и сборок, теплоизолирующей краски, термостойкого и теплопроводного клея, а также алюминиевых деталей в конструкции АСКЭК способствует снижению его веса и стоимости.
Принятые технические решения в конструкции АСКЭК обеспечивают повышенную эффективность использования солнечной радиации, что увеличивает КПД на 7-8% и снижают себестоимость по сравнению с существующими конструкциями [5]. Технология сборки АСКЭК не требует специального технологического оборудования и проводится следующим образом. Собирается корпус 1 по технологии сборки рамы пластиковых окон, устанавливается задняя стенка 6 с резиновыми уплотнителями, покрашенными теплоизолирующей краской поверхностями и наклеенной на внутренней поверхности поверх теплоизолирующей краски светоотражающей фольгой, устанавливаются нижние прямоугольные 16 и нижние фигурные вставки 18 (Фиг. 3, 4). Устанавливается датчик температуры 22 со стандартным креплением. Собирается медный или алюминиевый трубчатый коллектор 5, придается ему форма лабиринта, надеваются держатели 8 и фиксируются с помощью термостойкого клея в указанных местах 
для установки (Фиг. 2). Медный или алюминиевый трубчатый коллектор 5 в сборе вставляется в корпус 1, патрубки выводятся наружу, держатели 8 закрепляются на задней стенке 6 с помощью термостойкого клея, патрубки 9, 10 закрепляются в корпусе 1 фторопластовыми втулками 11. Приемная панель 4 помещается в корпус 1 на нижние прямоугольные 16 и нижние фигурные 18 вставки и устанавливается на держатели 8, предварительно смазанные термопроводящем клеем, приемная панель 4 прижимается грузом к держателям 8 и выдерживается до полного склеивания. Затем устанавливаются верхняя прямоугольная 15 и верхняя фигурная 17 вставки, на которых располагается прозрачная изоляция 3 с уплотняющей резиной 13. Окончательно плоскую прозрачную изоляцию 3, изготовленную из сотового поликарбоната, закрепляют уплотнительной пластмассовой рамкой 14 треугольного сечения, которая является замыкающим звеном при сборке АСКЭК. На пластиковый одно- или двухкамерный корпус приклеивается алюминиевый каркас 20 параболического профиля в поперечном разрезе с предварительно наклеенной пленочной солнечной батареей 19. Следует также отметить, что сборка АСКЭК не требует специального технологического оборудования, резьбовые и паяные соединения отсутствуют, тем самым снижается себестоимость АСКЭК.
1. Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса (АСКЭК), содержащий: корпус, плоскую прозрачную изоляцию, поглощающую панель, отличающийся тем, что имеет пластиковый одно- или двухкамерный корпус, алюминиевые прямоугольные вставки, помещаемые в камеры пластикового одно- или двухкамерного корпуса, применена теплоаккумулирующая алюминиевая стружка, которой заполняется пространство между теплоприемной панелью, выполненной из медного или алюминиевого волнистого листа, медным или алюминиевым трубчатым коллектором и задней стенкой, медные или алюминиевые трубы коллектора имеют конфигурацию в виде лабиринта, входящие и выходящие патрубки медных или алюминиевых труб коллектора размещены рядом, задняя стенка выполнена из армированного сотового поликарбоната, причем ее внутренняя и внешняя поверхности окрашены теплоизолирующей краской, наличие светоотражающих внутренних поверхностей, прямоугольных и фигурных вставок и светоотражающей фольги, наклеенной поверх теплоизолирующей краски на внутреннюю поверхность задней стенки, способствует отражению световых и тепловых лучей на приемную панель, теплоаккумулирующую алюминиевую стружку и медный или алюминиевый трубчатый коллектор, при этом повышается коэффициент использования солнечной радиации АСКЭК на 7-8%, пленочные солнечные батареи наклеены на алюминиевый каркас параболического профиля в поперечном разрезе, датчик температуры расположен под теплопоглощающей панелью, задняя стенка покрашена двойным слоем теплоизолирующей краски с внутренней и внешней сторон, что обеспечивает замену не менее 10-15 см слоя традиционных утеплителей, медные или алюминиевые держатели фиксируют медный или алюминиевый трубчатый коллектор и поглощающую панель относительно задней стенки, дополнительно имеется циркуляционный насос, контроллер заряда-разряда, литиевые аккумуляторные батареи.
2. Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса по п. 1, отличающийся тем, что сборка АСКЭК не требует специального технологического оборудования, резьбовые и паяные соединения отсутствуют, тем самым снижается себестоимость АСКЭК.
3. Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса по п. 1, отличающийся тем, что применение пластмассовых, алюминиевых деталей и сборок, теплоизолирующей краски, термостойкого и теплопроводного клеев в конструкции АСКЭК снижает его вес и себестоимость.
4. Автоматизированный солнечный коллектор эконом-класса по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительная пластмассовая рамка треугольного сечения является замыкающим звеном при сборке АСКЭК, т.е. фиксирует все элементы, установленные внутри корпуса.
