Плоский солнечный коллектор

Солнечный коллектор относится к области преобразования солнечной энергии в тепловую с использованием последней для коммунальных и бытовых нужд населения. Может использоваться как основной или дополнительный нагреватель в системе горячего водоснабжения.

Предлагаемое конструкционное решение направлено на увеличение эффективности, снижение тепловых потерь, упрощение конструкции и повышение технологичности.

Это достигается тем, что плоский солнечный коллектор, состоящий из светопроницаемого прозрачного покрытия и абсорбера, выполненных из полимерного светопроницаемого материала, системы теплообмена содержащей внутренние каналы абсорбера и герметично надетые на торцевые стороны листа абсорбера коллекторные трубы, отверстий сообщающих внутренние полости с атмосферой, теплоизоляции абсорбера, согласно изобретению, светопроницаемое прозрачное покрытие выполнено с двух сторон абсорбера и отстоит от него по всей своей плоскости на расстояние, предотвращающее конвективный теплообмен между абсорбером и прозрачным покрытием, по периметру абсорбера и прозрачного покрытия, расположено ограждение, между абсорбером и светопроницаемым покрытием равномерно расположены ограничивающие штифты с малой теплопроводностью, по наружному периметру солнечного коллектора герметично закреплен П-образный профиль с высотой полки, равной толщине коллекторной трубы и двойного листа прозрачного покрытия на расстоянии, обеспечивающем зазор между ограждением и полкой, достаточный для размещения теплоизоляции.

Солнечный коллектор относится к области преобразования солнечной энергии в тепловую с использованием последней для коммунальных и бытовых нужд населения. Может использоваться как основной или дополнительный нагреватель в системе горячего водоснабжения. Может применяться в системах с естественной (термосифонного типа) или принудительной циркуляцией теплоносителя.

Простейшим и наиболее дешевым способом использования солнечной энергии является нагрев бытовой воды в так называемых плоских солнечных коллекторах.

Известна конструкция плоского солнечного коллектора, которая состоит из корпуса, элемента, поглощающего солнечное излучение, системы циркуляции теплоносителя, прозрачного покрытия и теплоизолирующего слоя (пат. РФ 2298739, 2269726, 2325599, 2330217, 2350852, F24J 2/24).

Поглощающий элемент называется абсорбером, он представляет собой лист металла с хорошей теплопроводностью, покрытый селективным поглощающим покрытием. Чем больше падающей энергии передается теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить ее можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.

Абсорбер связан с теплопроводящей системой выполненной в виде трубчатого змеевика прикрепленного пайкой, сваркой к абсорберу. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за ее высокой теплопроводности.

Прозрачный элемент обычно выполняется из закаленного стекла с пониженным содержанием металлов.

Корпус плоского коллектора, как правило, выполнен из металла и теплоизолирован с помощью минваты (или т.п.) от абсорбера.

Известна (патент RU 2348869, МПК F24J 2/00, 2/46, 2009) конструкция плоского вакуумного коллектора, выполненого с возможностью вакуумирования и вакуум-уплотнения, которая содержит, по меньшей мере, один поглотитель, в частности пластинчатый поглотитель, по меньшей мере, одну трубу, которая, по меньшей мере, частично термически связана с указанным, по меньшей мере, одним поглотителем, поддерживающую конструкцию, изготовленную, в частности, из металла и снабженную периметрической рамой, и, по меньшей мере, одну первую прозрачную стенку, в частности плоскую стеклянную панель, причем, в частности, периметр первой прозрачной стенки и поддерживающая конструкция, в частности первая опорная поверхность рамы, перекрываются, в частности, на периметрическом участке.

Данные конструкции плоского солнечного коллектора (как и вакуумного трубчатого) имеет несколько серьезных минусов:

- риск хрупкого разрушения прозрачного стеклянного покрытия в результате града или случайного механического повреждения;

- большой вес конструкции (от 20 до 50 кг./м²), что обусловлено применяемыми материалами (стекло, металл);

- значительная толщина теплоизолирующего покрытия 50-100 мм, что приводит к росту общих размеров (толщины) корпуса солнечного коллектора и, соответственно, веса;

- значительный вес и большой риск механического повреждения таких коллекторов ограничивают их использование в мобильных (туристических) установках;

- значительные вес, жесткая форма и габаритные размеры коллекторов ограничивают их использование в качестве эстетического оформления частных домовладений;

при изготовлении вакуумных коллекторов требуется высокотехнологичное специальное оборудование (металлообрабатывающее, вакуумное и т.д.)

- в связи с высокой стоимостью материалов, затрат на производство, монтаж коллекторов, конечная стоимость солнечного коллектора оказывается высокой;

- конечная стоимость выработанной тепловой энергии солнечным коллектором в условиях средней полосы России в несколько раз выше, чем полученной традиционными способами (сжигание ископаемого топлива).

Известны солнечные коллекторы, в которых с целью устранения вышеуказанных недостатков в качестве конструкционных материалов корпуса, элемента, поглощающего солнечное излучение, системы циркуляции теплоносителя, прозрачного покрытия, используются различные полимерные материалы (пат. РФ 2330218, 2329437, 87784, 84093, 79989, 48039, 48038, МПК F24J 2/46).

Наиболее близкой к заявляемой, является конструкция солнечного коллектора (патент RU 48039, МПК F24J 2/46, 2005), содержащая корпус, в котором размещены теплопоглощающая панель и над ней прозрачная теплоизоляция. Внутри корпуса размещена теплоизоляция нижней и боковых сторон теплопоглощающей панели, причем теплопоглощающая панель выполнена из непрозрачного теплостойкого и стойкого к ультрафиолету полимерного материала в виде плоской пластины, к нижней поверхности которой присоединен посредством сварки теплостойкий волнообразный лист из полимерного материала, тем самым образуя полуцилиндрические продольные каналы для прокачки теплоносителя. Теплопоглощающая панель с двух торцевых сторон, содержащих каналы, присоединена к коллекторным трубам, выполненным из теплостойкого пластика с помощью клеевого или сварного соединения с возможностью сквозной прокачки теплоносителя. Прозрачная теплоизоляция выполнена из листового или сотового теплостойкого и стойкого к ультрафиолету прозрачного полимерного материала, а теплоизоляция внутри корпуса выполнена из вспененного материала с низкой теплопроводностью покрытого со стороны, обращенной к теплопоглощающей панели, отражающей тепловое излучение фольгой. Корпус и крепежные элементы выполнены из стойкого к ультрафиолетовому излучению и погодным условиям полимерного материала. Внутренняя воздушная полость солнечного коллектора, образованная в результате герметичного клеевого или сварного соединения прозрачной теплоизоляции и корпуса, сообщена с окружающей атмосферой с помощью перфорированных отверстий в корпусе солнечного коллектора.

Недостатками данной конструкции являются:

- наличие отдельно выполненного корпуса, увеличивающего вес и снижающего технологичность конструкции;

- конструкция свариваемого абсорбера труднореализуема без специального оборудования;

- теплоизоляция, нижней стороны абсорбера, выполненная по всей его площади, увеличивает вес конструкции и расход материалов.

Предлагаемое конструкционное решение направлено на увеличение эффективности, снижение тепловых потерь, упрощение конструкции и повышение технологичности, снижение себестоимости изготовления солнечного коллектора.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой конструкции солнечного коллектора, заключается в следующем:

1. Снижение веса солнечного коллектора до 4-7 кг/м ²;

2. Снижение стоимости солнечного коллектора;

3. Отсутствие сложного технологического оборудования при производстве;

4. Высокая ремонтопригодность, легкость монтажа;

5. Высокая механическая стойкость солнечного коллектора (не боится града и ударов);

6. Высокая эффективность применяемого вида теплоизоляции позволяет снизить толщину коллектора до 40-50 мм и одновременно позволит производить тепловую энергию при отрицательных температурах окружающего воздуха.

Данный технический результат достигается тем, что плоский солнечный коллектор, состоящий из светопроницаемого прозрачного покрытия и абсорбера, выполненных из полимерного светопроницаемого материала с внутренними каналами, системы теплообмена содержащей внутренние каналы абсорбера и герметично надетые на торцевые стороны листа абсорбера коллекторные трубы, отверстий сообщающих внутренние полости с атмосферой, теплоизоляции абсорбера, согласно изобретению, светопроницаемое прозрачное покрытие выполнено с двух сторон абсорбера и отстоит от него по всей своей плоскости на расстояние, предотвращающее конвективный теплообмен между абсорбером и прозрачным покрытием, по периметру абсорбера и прозрачного покрытия, расположено ограждение, между абсорбером и светопроницаемым покрытием равномерно расположены ограничивающие штифты с малой теплопроводностью, по наружному периметру солнечного коллектора герметично закреплен П-образный профиль с высотой полки, равной толщине коллекторной трубы и двойного листа прозрачного покрытия на расстоянии, обеспечивающем зазор между ограждением и полкой, достаточный для размещения теплоизоляции.

Ограждение может быть выполнено из гибкой полимерной пленки закрепленной клеевым соединением.

Ограждение может быть выполнено в виде закрепленного пайкой или клеевым соединением с боковых сторон абсорбера, на глубину своего поперечного размера, П-образного профиля с высотой полки, равной величине воздушного зазора, изготовленного из полимерного материала с малой теплопроводностью и достаточной теплостойкостью, причем профиль ориентирован своей полкой к центру солнечного коллектора,

В качестве светопроницаемого материала и материала корпуса используется сотовый поликарбонат или другой подобный полимерный многослойный материал с размером внутренних каналов 6-8 мм, обладающий хорошей термостойкостью, стойкостью к солнечному излучению.

Известно, что теплопроводность воздушной прослойки толщиной не более 10 мм (в которой отсутствуют конвективные потоки) приравнена к теплопроводности вакуумной изоляции. Таким образом, применение данного материала позволяет кроме пропускания светового потока к абсорберу с двух сторон, эффективно теплоизолировать корпус солнечного коллектора.

На фигуре изображен общий вид предложенного солнечного коллектора.

Коллектор состоит из светопроницаемых панелей 1, размещенных с двух сторон абсорбента 2, пластиковых коллекторных труб 3, герметично надетых на торцевые стороны абсорбента 2, П-образного пластикового профиля 4, обрамляющего по наружному периметру солнечный коллектор, П-образного профиля 5, размещенный в промежутке между светопроницаемой панелью 1 и абсорбентом 2, теплоизолятора 6, ограничивающих штифтов 7 и П-образных металлических скоб 8.

Светопроницаемые панели 1 находится с двух сторон абсорбента 2 солнечного коллектора, выполняют одновременно функцию корпуса и отстоят от листа абсорбера на 6-8 мм, данный воздушный промежуток служит еще одним слоем теплоизоляции. В связи с такой конструкционной особенностью появляется возможность повышения тепловой мощности солнечного коллектора путем концентрации светового потока (зеркалами) с задней стороны коллектора (на фигуре не показаны).

В качестве материала абсорбента 2 используется сотовый поликарбонат или другой подобный полимерный двухслойный материал с размером внутренних каналов(на фигуре не показаны) 4-8 мм, обладающий хорошей термостойкостью и покрытый снаружи слоем термостойкого селективного поглощающего покрытия имеющего высокую эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую. Для снятия тепловой энергии с листа абсорбента, через его внутренние каналы пропускается теплоноситель (вода или антифриз).

Благодаря большей, чем в трубчатом теплообменнике, площади контакта теплоносителя с материалом абсорбента, снижаются требования к теплопроводности материала абсорбента. Таким образом, применение полимерных материалов (пластмасс) отличающихся низкой теплопроводностью вполне оправдано.

На торцевые стороны листа абсорбента 2 (с выходами внутренних каналов) герметично надеты пластиковые коллекторные трубы 3, в которых предварительно сформированы продольные отверстия на длину листа абсорбента и шириной 1 мм. Трубы 3 на лист абсорбента надеваются с натягом, что при добавлении в шов клеевого материала надежно герметизирует соединение. Размер листа абсорбента 2 выбирается таким, чтобы его ширина равнялась ширине светопроницаемых панелей 1, а длина абсорбера 2 вместе с коллекторными трубами 3 равнялась длине светопроницаемых панелей 1.

Между абсорбером 2 и светопроницаемыми панелями 1 для предотвращения изменения воздушного зазора, сваркой или клеевым соединением закреплены ограничивающие штифты 7 высотой равной величине воздушного зазора (6-8 мм), изготовленные из полимерного материала с малой теплопроводностью, достаточной прочностью и теплостойкостью.

Для предотвращения попадания теплоизолятора 6 (монтажной пены, минваты) в промежутке между светопроницаемыми панелями 1 и абсорбером 2, по периметру последнего выполнено ограждение. Ограждение может быть выполнено из гибкой полимерной пленки закрепленной клеевым соединением. При заполнении пространства между наружным П-образным профилем 4 и гибким ограждением вспененным теплоизолятором (монтажной пеной) 6 последний, при полимеризации расширяется в объеме, деформирует гибкое ограждение и надежно фиксирует абсорбер 2 с требуемым технологическим зазором между наружными светопроницаемыми панелями 1.

Ограждение также может быть выполнено в виде закрепленного пайкой или клеевым соединением с боковых сторон абсорбера, на глубину своего поперечного размера, П-образного профиля 5 с высотой полки 6-8 мм (равной величине воздушного зазора), изготовленного из полимерного материала с малой теплопроводностью и достаточной теплостойкостью. Причем полка профиля обращена к центру солнечного коллектора.

По наружному периметру солнечный коллектор обрамлен П-образным пластиковым профилем 4 с высотой полки, равной толщине коллекторных труб 3 и двойного листа светопроницаемой панели 1, под которым находится теплоизоляция 6 (минвата, монтажная пена). П-образный профиль 4 выполняет несущую и эстетическую функции (также может быть металлическим).

Для сообщения с атмосферой в наружном П-образном пластиковом профиле 4 выполнены сквозные отверстия (на фигуре не показаны), через которые при сборке солнечного коллектора может производиться заполнение теплоизоляцией (монтажной пеной). Для предварительной фиксации абсорбера 2 и двух наружных светопроницаемых панелей 1 в прочный пакет, используются П-образные металлические скобы 8, одеваемые на этот пакет с натягом. Перед монтажом наружного П-образного профиля 4 их удаляют.

Таким образом, предлагаемый солнечный коллектор можно технологично изготовить из листовых полимерных материалов и пластиковых труб без применения металлов и стекла, что позволит снизить стоимость и поднять потребительские свойства по сравнению с солнечными коллекторами традиционных конструкций.

1. Плоский солнечный коллектор, состоящий из светопроницаемого прозрачного покрытия и абсорбера, выполненных из полимерного светопроницаемого материала с внутренними каналами, системы теплообмена, содержащей внутренние каналы абсорбера и герметично надетые на торцевые стороны листа абсорбера коллекторные трубы, отверстий, сообщающих внутренние полости с атмосферой, теплоизоляции абсорбера, отличающийся тем, что светопроницаемое прозрачное покрытие выполнено с двух сторон абсорбера и отстоит от него по всей своей плоскости на расстояние, предотвращающее конвективный теплообмен между абсорбером и прозрачным покрытием, по периметру абсорбера и прозрачного покрытия расположено ограждение, между абсорбером и светопроницаемым покрытием равномерно расположены ограничивающие штифты с малой теплопроводностью, по наружному периметру солнечного коллектора герметично закреплен П-образный профиль с высотой полки, равной толщине коллекторной трубы и двойного листа прозрачного покрытия на расстоянии, обеспечивающем зазор между ограждением и полкой, достаточный для размещения теплоизоляции.

2. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что ограждение выполнено из гибкой полимерной пленки, закрепленной клеевым соединением.

3. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что ограждение выполнено в виде закрепленного пайкой или клеевым соединением с боковых сторон абсорбера на глубину своего поперечного размера П-образного профиля с высотой полки, равной величине воздушного зазора, изготовленного из полимерного материала с малой теплопроводностью и достаточной теплостойкостью, причем профиль ориентирован своей полкой к центру солнечного коллектора.