Солнечная водонагревательная панель

Солнечная водонагревательная панель (СВНП) относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использована в системах горячего водоснабжения жилых домов, коттеджей, гостиниц, больниц, спортивных комплексов, школ, помещений сельскохозяйственного назначения и других социально-бытовых объектов.

Цель полезной модели: упростить технологию изготовления, повысить надежность, уменьшить стоимость, вес и толщину, а также увеличить КПД преобразования солнечной радиации в тепловую энергию.

СВНП содержит: алюминиевый корпус L-образной формы; прозрачную теплоизолирующую переднюю стенку, выполненную из сотового поликарбоната; боковые зеркала с отражающей поверхностью параболического профиля, установленные по периметру солнечного коллектора под углом 110-120° к плоскости солнечной водонагревательной панели, расположенные между прозрачной теплоизолирующей передней стенкой и размещенной внутри корпуса алюминиевой теплопоглощающей панелью; алюминиевую теплопоглощающую панель, выполненную с впадинами и выпуклостями, имеющими форму трапеции, внешняя поверхность которой имеет высокоселективное покрытие, поглощательная способность которого должна быть не менее 90%-95%; квадратные алюминиевые трубы, установленные сверху и снизу алюминиевой теплопоглощающей панели; нижнюю и верхнюю квадратные прямоугольные алюминиевые коллекторные трубы; заднюю алюминиевую стенку, внутренняя и наружная стороны которой покрыты теплоизолирующей краской, причем внутренняя сторона задней алюминиевой стенки поверх теплоизолирующей краски покрыта светоотражающей фольгой; втулки-фланцы, с помощью которых соединяются квадратные алюминиевые трубы с нижней и верхней квадратными прямоугольными алюминиевыми коллекторными трубами; входные и выходные патрубки, закрепленные в торцах заглушек нижней и верхней прямоугольных алюминиевых коллекторных трубах с помощью резьбовых соединений; заднюю теплоизолирующую панель, выполненную из сотового поликарбоната толщиной 4 мм; теплоносящую жидкость (вода или незамерзающая жидкость на основе этиленгликоля), которой заполняются квадратные алюминиевые трубы, установленные сверху и снизу алюминиевой теплопоглощающей панели, а также прямоугольные алюминиевые коллекторные трубы; алюминиевую стружку, которой заполняется все свободное пространство под алюминиевой теплоприемной панелью, что повышает теплоемкость и КПД СВНП; нижние полки алюминиевого корпуса L-образной формы, которые на стыках имеют специальные фигурные пазы, улучшающие технологичность сборки этого корпуса; алюминиевые треугольники, которые накладываются на стыки нижних полок алюминиевого корпуса L-образной формы в целях придания ему жесткости.

Предлагаемая форма профилей теплоприемной панели, каналов для теплоносящей жидкости и боковые зеркала с параболической формой отражающей поверхности, расположенные по периметру СВНП, позволяют улучшить КПД преобразования солнечной радиации в тепловую энергию теплоносящей жидкости. Следует учесть, что в предлагаемой конструкции СВНП боковые зеркала, горизонтальные плоскости прямоугольных алюминиевых труб воспринимают максимум солнечных лучей при утреннем, дневном и вечернем освещении.

Солнечная водонагревательная панель (СВНП) относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использована в системах горячего водоснабжения жилых домов, коттеджей, гостиниц, больниц, спортивных комплексов, школ, помещений сельскохозяйственного назначения и других социально-бытовых объектов.

Известен солнечный коллектор патент США 3395614, кл. F24J 3/02 1976 г. [1], содержащий: корпус с прозрачной передней стенкой и поглощающей панелью и установленный в корпусе поглотитель в виде продольной пластины с отверстиями и размещенными под каждым из них камерами, открытыми со стороны пластины, причем стенки 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 для двустенной вакуумированной трубки, что ведет к усложнению конструкции коллектора и повышению стоимости поглотителя. Кроме того, вакуумные трубки имеют низкую прочность к ударным нагрузкам, например ударам крупного града и других предметов, а также затруднительно долгое время удерживать вакуум, очевидно, что и ремонт такого солнечного коллектора нецелесообразен с экономической точки зрения.

Известен солнечный тепловой коллектор патент RU 233021 от 20.07.2008 г. [2], содержащий: рабочую панель со 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 CO или CO ₂ или комбинация газа CO или CO₂ с незамерзающей жидкостью (газированная жидкость); рабочую прозрачную пленку; принудительную систему развертывания коллектора. Недостатком данного изобретения является наличие опасного газа CO или CO ₂, технически невозможность использования коллектора в отдельных жилых зданиях, а в мобильном варианте использования необходим запас газа, кроме того, трудно обеспечить герметичность конструкции при длительной эксплуатации.

Известна теплоприемная панель патент RU 2450217 от 27.11.2011 г. [3], которая относится к устройствам, предназначенным для использования в народном хозяйстве лучистой энергии, преимущественно излучения Солнца, и может быть применена в любой отрасли народного хозяйства. Теплоприемная панель солнечного коллектора содержит, по меньшей мере, два аналогичных соединенных между собой фрагмента, выполненных с профилированной поверхностью, имеющей гофры, и соединенных между собой с возможностью сопряжения и герметичного жесткого соединения между собой по внешнему периметру и внутри него, на внешнюю сторону одного из которых нанесено селективное поглощающее покрытие, входной и выходной коллектор со штуцерами. Согласно описанию изобретения, профилированная поверхность образована в результате пластической деформации под действием внутреннего давления изначально плоских листовых фрагментов, предварительно герметично соединенных между собой, на концах жестких соединений между гофрами образованы широкие треугольные, круглые или каплеобразные законцовки, между ними и коллекторами расположены прерывистые швы жесткого соединения, причем расстояние между законцовками и перпендикулярным им прерывистым швом составляет не менее пяти сотых и не более одного расстояния между соседними гофрами. Недостатком данного изобретения являются: потребность в специальном технологическом оборудовании для изготовления теплоприемной панели; весьма большая вероятность потери герметичности при пластической деформации под действием внутреннего давления для образования гофр из листов предварительно герметично соединенных между собой, а металлоемкость теплоприемной панели практически не изменится по сравнению с аналогами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является солнечный коллектор патент RU 96637 от 10.08.2010 г. [4], который выбран в качестве прототипа. Коллектор включает корпус с верхней рамкой, выполненной из Г-образного профиля, прозрачную переднюю стенку (стекло), поглощающую панель, состоящую из двух отштампованных пластин из листовой коррозионно-стойкой стали, боковые зеркала, установленные под углом 125-130° к плоскости солнечного коллектора, теплоизоляцию и входные и выходные штуцера, вваренные в поглощающую панель, при этом для движения теплоносителя в поглощающей панели применен канал шестиугольного профиля. Основными недостатками прототипа являются: большой вес и толщина конструкции солнечного коллектора; теплоприемная панель, изготовленная из нержавеющей стали, имеет низкую теплоемкость и высокий удельный вес по сравнению с алюминиевой панелью; плоские зеркала в утреннее и вечернее время часть солнечной радиации через стекло будут отражать обратно; сварка нержавеющей стали и цветного металла требует специальной аппаратуры и навыков; применяемый в качестве теплоизоляции полистирол увеличивает габаритные размеры конструкции прототипа; изготовление корпуса солнечного коллектора требует сварочных работ.

Задачами, на решение которых направлена заявляемая полезная модель, являются: упрощение технологии изготовления устройства, повышение надежности устройства, уменьшение стоимости на 25%, веса на 30% и толщины на 50%, а также увеличение КПД преобразования солнечной радиации в тепловую энергию на 7%-10%.

Указанные недостатки прототипа и цитированных аналогов в предлагаемой полезной модели устраняются следующим образом. Нижние полки алюминиевого корпуса L-образной формы, имеющие в районе стыка специальные фигурные пазы, с помощью которых происходит соединение полок между собой без применения сварочных работ, что снижает стоимость и повышает технологичность сборки корпуса. Для увеличения жесткости районов стыков нижних полок алюминиевого корпуса L-образной формы применяются алюминиевые треугольники, которые с помощью анаэробных клеев приклеиваются на эти стыки. Вертикальный стыковочный шов алюминиевого корпуса L-образной формы соединяется с помощью алюминиевого уголка и анаэробного клея-герметика. Теплоизолирующая панель выполнена из прозрачного сотового поликарбоната толщиной 4 мм, которая значительно легче и во много раз прочнее закаленного стекла. Алюминиевая профильная теплопоглощающая панель, выполненная с впадинами и выпуклостями, имеющими форму трапеции, легче коррозионно-стойкой стали из которой выполнена поглощающая панель прототипа. Применение параболических зеркальных поверхностей позволяет использовать отраженную солнечную радиацию от ее криволинейной поверхности в утренние и вечерние часы. Использование специальных втулок-фланцев для соединения квадратных алюминиевых труб с нижней и верхней квадратными прямоугольными алюминиевыми коллекторными трубами с помощью теплопроводящих анаэробных клеев-герметиков и резьбовых соединений позволяет избавиться от сварочных работ. Применение задней алюминиевой стенки совместно с теплоизолирующей сотовой поликарбонатной панелью толщиной 4 мм и теплоизолирующей краски уменьшает вес и толщину предлагаемого солнечного коллектора, причем его толщина в этом случае составит не более 70 мм., что в 1,5 раза меньше толщины у принятого прототипа Для движения теплоносящей жидкости применены стандартные квадратные алюминиевые трубы с каналами прямоугольного профиля, которые способствуют образованию турбулентного движения потока теплоносящей жидкости, позволяющей повысить КПД съема тепла с нагретых поверхностей. Свободное пространство под теплоприемной панелью заполняется алюминиевой стружкой с целью увеличения теплоемкости, что позволяет нагревать теплоносящую жидкость и после захода солнца. Указанные отличия принятых технических решений по сравнению с прототипом и аналогами определяют их новизну и обеспечивают достижение поставленной цели по созданию конструкции СВНП. Следует также отметить, что изготовление комплектующих солнечного коллектора не требует сложного технологического оборудования, сварочных работ и высокой квалификации работников, что позволяет организовать их сборку непосредственно на месте эксплуатации.

Сущность полезной модели поясняется на рисунках. На фиг.1 показан поперечный разрез СВНП. На фиг.2 изображен общий вид солнечной водонагревательной панели, частично в разрезе и частично без прозрачной теплоизоляции. На фиг.3 показано фигурное соединение нижних полок корпуса L-образного профиля СВНП. На фиг.4 изображен L-образный корпус, вид снизу. На фиг.5 показана принципиальная схема сборки СВНП.

Конструкция СВНП включает: корпус 1, выполненный из L-образного алюминиевого профиля; верхнюю рамку 2; прозрачную теплоизолирующую переднюю стенку 3 из сотового поликарбоната; боковые зеркала 4, имеющие параболические отражательные поверхности, установленные под углом 110°-120° к плоскости СВНП, величина этого угла рассчитана для северной широты 50°-55°; верхнюю квадратную алюминиевую коллекторную трубу 5; нижние втулки-фланцы 24 с винтовыми креплениями (не обозначены); внутреннюю поверхность верхней втулки-фланца 6, выполненную в виде конфузора-диффузора 7; квадратные алюминиевые трубы 8 для теплоносящей жидкости; алюминиевую профильную теплопоглощающую панель 9, выполненную с впадинами и выпуклостями, имеющими форму трапеции; светоотражающую фольгу 10; нижнюю алюминиевую стенку 11; крепление 12 верхней рамки 2; алюминиевую стружку 13; нижнюю теплоизолирующую панель 14, выполненную из сотового поликарбоната толщиной 4 мм; выходящий патрубок 15 для горячего теплоносителя; гайки 16 для крепления выходящего патрубка 15 (фиг. 1); заглушку 17 с отверстием для патрубка 15; заглушку 18 с отверстием и гайками 19 (не показаны) для крепления входного патрубка 23 подачи охлажденного теплоносителя; заглушки 20, 21 соответственно для верхней 5 и нижней 22 квадратных алюминиевых коллекторных труб; нижние втулки-фланцы 24 с винтовыми креплениями (не обозначены); внутреннюю поверхность нижних втулок-фланцев 24, выполненную в виде конфузора-диффузора 25; алюминиевый уголок 26 для придания жесткости вертикальному стыку корпуса 1 (фиг.2, 3); фигурные пазы-стыки 27 нижних полок корпуса 1 (фиг.3), выполненного из L-образного алюминиевого профиля; треугольники 28 для фиксации и придания жесткости фигурным пазам-стыкам 27; резьбовые крепления 29 алюминиевых треугольников 28; резьбовые крепления 30 алюминиевого уголка 26; отверстие 31 в корпусе 1 для выходящего патрубка 15; отверстие 32 в корпусе 1 для входящего патрубка 23.

Работа СВНП осуществляется следующим образом. СВНП устанавливается, например, на крыше дома, на специальной опоре с ориентацией на солнце под углом к горизонту, равным географической широте местности. К СВНП подсоединяются трубопроводы для подачи охлажденного теплоносителя к входному патрубку 23 и забора подогретого теплоносителя от выходного патрубка 15. Солнечная энергия, падающая на поверхность квадратных алюминиевых труб 8, находящихся над теплопоглощающей панелью 9, и на свободную внешнюю поверхность теплопоглощающей панели 9, выполненную с впадинами и выпуклостями, имеющими форму трапеции, нагревает эти поверхности, которые передают тепло солнечной радиации теплоносящей жидкости. Теплопоглощающая панель 9, нагретая солнечной радиацией, также передает тепло на соприкасающуюся поверхность квадратным алюминиевым трубам 8, находящимся под поверхностью теплопоглощающей панели 9, которые также передают это тепло теплоносящей жидкости. Нагретая теплоносящая жидкость по закону тепловой конвекции поступает через выходной патрубок 15 к потребителю. Повышению КПД теплопередачи солнечной радиации теплоносящей жидкости способствует использование внутренних поверхностей верхней втулки-фланца 6 и нижней втулки-фланца 24, выполненных в виде конфузора-диффузора 7 и 25 соответственно которые увеличивают скорость конвекционного потока теплоносящей жидкости. Алюминиевая стружка 13, которой заполнено все свободное пространство под теплоприемной панелью, увеличивает теплоемкость СВНП, что положительно сказывается на качестве использования солнечной радиации. Использование светоотражающей фольги 10, которая, отражая тепловые лучи, увеличивает подогрев теплоносящей жидкости. Применение в качестве теплоизоляции теплоизолирующей краски, которой покрыты поверхности алюминиевой задней стенки 13, а также нижней панели 14, выполненной из сотового поликарбоната толщиной 4 мм, обеспечивают уменьшение потерь тепла, снижение веса и уменьшение толщины СВНП.

Предварительная сборка СВНП осуществляется следующим образом. К верхней квадратной алюминиевой коллекторной трубе 5 на клее-герметике (в качестве клеев-герметиков могут использоваться анаэробные материалы) присоединяются втулки-фланцы 6 и закрепляются с помощью винтовых креплений. Верхняя коллекторная труба 5 с торцов закрывается на клее-герметике заглушкой 20 и заглушкой верхней 17 с отверстием, куда предварительно с помощью гаек 16 крепится входной патрубок 15. Аналогично собирается нижняя коллекторная труба 22, к которой присоединяются на клее-герметике нижние втулки-фланцы 24 и закрепляются с помощью винтовых креплений, с торцов нижняя коллекторная труба 22 закрывается заглушкой 21 на клее-герметике и заглушкой нижней 18 с отверстием, куда предварительно с помощью гаек 18 крепится входной патрубок 23. Верхняя и нижняя коллекторные трубы 5, 22 соединяются на анаэробном клее-герметике с квадратными трубами 8 с помощью втулок-фланцев верхней 6 и нижней 24. Причем сначала собираются квадратные трубы 8, расположенные сверху теплопоглощающей панели 9, затем с помощью теплопроводящего клея к этим квадратным трубам приклеивается теплопоглощающая панель 9, затем присоединяют квадратные трубы 8, которые расположены снизу теплопоглощающей панели 9 при этом сопрягаемые поверхности также приклеиваются с помощью теплопроводящих клеев. Светоотражающая фольга 10 приклеивается к нижним поверхностям квадратных труб 8, которые расположены снизу теплопоглощающей панели 9, и к ее нижней горизонтальной плоскости. Свободное пространство между светоотражающей фольгой 10 и нижней поверхности теплопоглощающей панели 9 заполняется алюминиевой стружкой 13. При сборке L-образного корпуса 1, в первую очередь, совмещаются фигурные пазы-стыки 27 нижних полок корпуса 1 (фиг.3), затем уголок 26 с помощью резьбовых креплений 30 закрепляется снаружи корпуса 1 на вертикальном стыке корпуса 1 (фиг.2, 3). Для придания жесткости L-образному корпусу 1 в местах фигурных пазов-стыков 27 нижних полок L-образного корпуса 1 с помощью резьбовых креплений 29 устанавливаются алюминиевые треугольники 28 (фиг.3).

Окончательная сборка СВИЛ производится следующим образом. На нижние полки L-образного корпуса 1 укладываются нижняя теплоизолирующая панель 14, выполненная из сотового поликарбоната толщиной 4 мм и окрашенная с двух сторон теплоизолирующей краской, на нее помещается нижняя алюминиевая стенка 11 также окрашенная с двух сторон теплоизолирующей краской. Сверху алюминиевой стенки 11 укладывается сборка: верхняя квадратная коллекторная труба 5, нижняя квадратная коллекторная труба 22, квадратные алюминиевые трубы 8, верхние втулки-фланцы 6, нижние втулки-фланцы 24, теплопоглощающая панель 9, входные и выходные патрубки 23, 15 пропускают через отверстия 31, 32. Устанавливаются боковые зеркала 4, имеющие параболическую отражающую поверхность, затем устанавливается прозрачная теплоизолирующая передняя стенка 3, выполненная из сотового поликарбоната. Сверху прозрачной теплоизолирующей передней стенки 3 из сотового поликарбоната устанавливается верхняя рамка 2 на клее-герметике. Принципиальная схема сборки СВНП показана на фиг.5.

Предлагаемая полезная модель СВНП разработана, прошла испытания на реальном объекте и запущена в производство. СВНП рассчитана на рабочее давление до 0,5 МПа. Один солнечный коллектор (S=1 м²), например для средней полосы России, за теплый летний день производит около 80 литров воды с температурой более 55°C. Габаритные размеры 1450×770×90 мм, масса коллектора 10-12 кг, расчетный срок службы 12-15 лет. Конструкция СВНП является пригодной к ремонту, что позволяет продлить срок ее эксплуатации еще на 12-15 лет.

Список цитируемой литературы

1. Солнечный коллектор. Патент США 3395614, кл. F24J 3/02 1976 г.

2. Солнечный тепловой коллектор. Патент RU 233021 от 20.07.2008 г.

3. Теплоприемная панель. Патент RU 2450217 от 27.11.2011 г.

4. Солнечный коллектор. Патент RU 9663 7 от 10.08.2010 г.

1. Солнечная водонагревательная панель (СВНП), содержащая корпус из L-образного профиля с прозрачной передней стенкой, верхнюю рамку, боковые зеркала, расположенную внутри корпуса теплопоглощающую панель, входные и выходные патрубки, светоотражающую фольгу, теплоизоляцию, отличающаяся тем, что корпус выполнен из L-образного алюминиевого профиля; прозрачная теплоизолирующая передняя стенка выполнена из сотового поликарбоната; боковые зеркала имеют параболическую поверхность и установлены под углом 110-120° к плоскости СВНП; содержит верхнюю и нижнюю квадратные алюминиевые коллекторные трубы; верхние и нижние втулки-фланцы с винтовыми креплениями, служащие для соединения квадратных алюминиевых труб с квадратными алюминиевыми коллекторными трубами; алюминиевая профильная теплопоглощающая панель выполнена с впадинами и выпуклостями, имеющими форму трапеции; внутренние поверхности верхней и нижней втулок-фланцев выполнены в виде конфузора-диффузора; содержит нижнюю алюминиевую стенку; алюминиевая стружка заполняет все свободное пространство под теплопоглощающей панелью; содержит нижнюю теплоизолирующую панель, выполненную из сотового поликарбоната толщиной 4 мм; применен алюминиевый уголок для придания жесткости вертикальному стыку корпуса; в качестве теплоизоляции применена теплоизолирующая краска, которой покрыты поверхности алюминиевой задней стенки, а также нижняя теплоизолирующая панель из сотового поликарбоната; глухие заглушки служат для установки в верхней и нижней квадратных алюминиевых коллекторных трубах; заглушки с отверстиями служат для крепления входящего и выходящего патрубков и устанавливаются в квадратные коллекторные трубы; нижние полки L-образного алюминиевого корпуса имеют фигурные пазы-стыки, обеспечивающие сборку этого корпуса, а наличие алюминиевых треугольников обеспечивают надежность и жесткость крепления фигурных пазов-стыков; соединение втулок-фленцев с квадратными трубами и квадратными коллекторными трубами, заглушек и заглушек с отверстиями с квадратными коллекторными трубами, алюминиевого уголка и алюминиевых треугольников для сборки L-образного корпуса происходит с помощью анаэробных клеев-герметиков.

2. СВНП по п.1, отличающаяся тем, что входной и выходной патрубки крепятся к заглушкам с отверстиями с помощью гаек и анаэробных клеев-герметиков.

3. СВНП по п.1, отличающаяся тем, что алюминиевый уголок, алюминиевые треугольники и втулки-фланцы дополнительно крепятся резьбовыми соединениями.