RU2393390C1

RU2393390C1 - Solar collector

Info

Publication number: RU2393390C1
Application number: RU2008149288/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Сильвестрович Дьячишин (RU); Анатолий Сильвестрович Дьячишин; Ирина Михайловна Язвина (RU); Ирина Михайловна Язвина; Алексей Владимирович Стадник (RU); Алексей Владимирович Стадник
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Гелиотерм"
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-06-27

Abstract

FIELD: heating. ^ SUBSTANCE: solar collector includes closed covering from transparent single-layered or multi-layered material L wide, which consists of central cylindrical surface with R radius, two side cylindrical surfaces with r radius, which are conjugated to it on its extreme edges, and the plane tangent to two side cylindrical surfaces, two end covers installed on edges of the cover, and flat heat-receiving panel H wide and t thick arranged in the cover and having selective absorbing coating and channels for passage of liquid heat carrier; at that, geometrical dimensions of the cover and heat-receiving panel are related with the following ratios: 5HëÑRëÑ3H; 1.5tëÑrëÑ(êÜ2/2)t; 1.1HëÑLëÑ1.05H. Flat heat-receiving panel is installed in the plane passing through two axes of side cylindrical surfaces of the cover of the collector, and additional heat insulation is installed in the area adjacent to side cylindrical surface of the cover and below longitudinal edge of flat heat-receiving panel throughout its length. ^ EFFECT: increasing operating efficiency of solar collector, improving its resistance to atmospheric actions. ^ 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано, в частности, в устройствах, преобразующих электромагнитное излучение Солнца в тепловую энергию для нагрева теплоносителя.The invention relates to solar engineering and can be used, in particular, in devices that convert the electromagnetic radiation of the Sun into thermal energy for heating the coolant.

Известны солнечные коллекторы, содержащие корпус в виде рамной конструкции, в верхней части которого установлено светопрозрачное ограждение в виде плоского стекла. За стеклом установлена плоская теплоприемная панель с оптическим покрытием, преобразующим солнечное излучение в тепло (см., например, Sanit + Hezungstechnik, v.62, pp.46, 48,80).Known solar collectors containing a housing in the form of a frame structure, in the upper part of which is installed a translucent fence in the form of flat glass. Behind the glass there is a flat heat-receiving panel with an optical coating that converts solar radiation into heat (see, for example, Sanit + Hezungstechnik, v. 62, pp. 46, 48.80).

Недостатком известных солнечных коллекторов является низкая эффективность их работы в вечерние и утренние часы, когда теплоприемная панель частично затеняется непрозрачным каркасом боковых стенок рамной конструкции, а коэффициент отражения плоского стекла в утренние и вечерние часы при больших углах падения излучения значительно увеличивается в соответствии с формулой Френеля, что приводит к снижению эффективности работы коллектора в утренние и вечерние часы.A disadvantage of the known solar collectors is the low efficiency of their work in the evening and morning hours, when the heat-receiving panel is partially obscured by the opaque frame of the side walls of the frame structure, and the reflection coefficient of flat glass in the morning and evening hours at large angles of incidence of radiation increases significantly in accordance with the Fresnel formula, which leads to a decrease in the efficiency of the collector in the morning and evening hours.

Известен солнечный коллектор, содержащий замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала шириной L, состоящую из центральной цилиндрической поверхности радиуса R, сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей радиусом r и плоскости, касательной к двум боковым цилиндрическим поверхностям. На торцах оболочки установлены две крышки, образующие с оболочкой замкнутую полость, в которую установлена плоская теплоприемная панель шириной Н и толщиной t с селективным поглощающим покрытием на ее внешней поверхности и с каналами для протекания жидкого теплоносителя, причем по всей длине панели на ее краях с каждой стороны установлены отогнутые к задней поверхности панели дополнительные теплоприемные элементы с селективным поглощающим покрытием, предназначенные для более эффективного поглощения солнечной энергии в утренние и вечерние часы, причем геометрические размеры оболочки и теплоприемной панели связаны следующими соотношениями: 5Н≥R≥3Н; 1,5t≥r≥(√2/2)t; 1,1H≥L≥1,05H (см., например, Солнечный коллектор, патент РФ №2224188 C1, 20.02.2004 г.).Known solar collector containing a closed shell of a transparent single-layer or multilayer material of width L, consisting of a Central cylindrical surface of radius R, mating with it on its extreme edges of two side cylindrical surfaces of radius r and a plane tangent to two side cylindrical surfaces. Two covers are installed at the ends of the shell, forming a closed cavity with the shell, into which a flat heat-receiving panel of width H and thickness t with a selective absorbing coating on its outer surface and with channels for the flow of liquid coolant is installed, and along the entire length of the panel at its edges each additional heat-receiving elements with a selective absorbing coating bent to the rear surface of the panel are installed, designed to more efficiently absorb solar energy in the morning and evening The watch is gray, and the geometric dimensions of the shell and heat-receiving panel are connected by the following relationships: 5Н≥R≥3Н; 1,5t≥r≥ (√2 / 2) t; 1,1H≥L≥1,05H (see, for example, Solar Collector, RF patent No. 2224188 C1, 02.20.2004).

Основным недостатком известного солнечного коллектора является то, что дополнительные теплоприемные элементы в течение всего светового дня больше сбрасывают тепла, чем передают теплоносителю, так как в ранние утренние часы вся неосвещенная солнцем часть панели холодная и нет ни термосифонного, ни принудительного движения теплоносителя, так как при холодной панели циркуляционный насос не включается. При работе коллектора в середине светового дня тепловой поток на дополнительные элементы от солнца меньше, чем на основную поверхность теплоприемной панели, а потери теплопередачей через боковые цилиндрические поверхности больше в π/2 раз.The main disadvantage of the known solar collector is that additional heat-absorbing elements during the whole daylight more than they transfer heat to the coolant, because in the early morning hours, the entire part of the panel that is not illuminated by the sun is cold and there is no thermosiphon or forced movement of the coolant, since cold panel circulation pump does not turn on. When the collector operates in the middle of daylight, the heat flux to additional elements from the sun is less than to the main surface of the heat-receiving panel, and heat transfer losses through the lateral cylindrical surfaces are π / 2 times greater.

Другим недостатком известного солнечного коллектора является низкий коэффициент светопропускания прозрачного материала солнечного коллектора, что приводит к снижению эффективности работы коллектора.Another disadvantage of the known solar collector is the low transmittance of the transparent material of the solar collector, which leads to a decrease in the efficiency of the collector.

Другим недостатком известного солнечного коллектора является ухудшение пропускания светопрозрачного материала коллектора за счет осаждения пыли и других загрязнений на его внешнюю поверхность, что приводит к уменьшению эффективности работы коллектора с течением времени его эксплуатации.Another disadvantage of the known solar collector is the deterioration of the transmission of translucent material of the collector due to the deposition of dust and other contaminants on its outer surface, which reduces the efficiency of the collector over time.

Задачами настоящего изобретения является создание конструкции солнечного коллектора, обладающего повышенной эффективностью, в том числе в утренние и вечерние часы, а также увеличение эффективности солнечного коллектора путем увеличения светопропускания прозрачного материала оболочки солнечного коллектора и путем уменьшения загрязнения внешней поверхности коллектора при его эксплуатации.The objectives of the present invention is to provide a design of a solar collector with increased efficiency, including in the morning and evening hours, as well as increasing the efficiency of the solar collector by increasing the light transmission of the transparent material of the shell of the solar collector and by reducing pollution of the outer surface of the collector during its operation.

Указанные задачи решаются тем, что в солнечном коллекторе, содержащем замкнутую оболочку из прозрачного однослойного или многослойного материала шириной L (м), состоящую из центральной цилиндрической поверхности радиусом R (м), сопряженных с ней на ее крайних кромках двух боковых цилиндрических поверхностей радиусом r (м) и плоскости касательной к двум боковым цилиндрическим поверхностям, две торцевые крышки, установленные на торцах оболочки, и размещенную в оболочке плоскую теплоприемную панель шириной H (м) и толщиной t (м) с селективным поглощающим покрытием и с каналами для протекания жидкого теплоносителя, причем геометрические размеры оболочки и теплоприемной панели связаны следующими соотношениями: 5H≥R≥3H; 1,5t≥r≥(√2/2)t; 1,1H≥L≥1,05H, согласно изобретению плоская теплоприемная панель установлена в плоскости, проходящей через две оси боковых цилиндрических поверхностей оболочки коллектора, а в области, примыкающей к боковой цилиндрической поверхности оболочки и ниже продольной кромки плоской теплоприемной панели, установлена по всей ее длине дополнительная теплоизоляция.These problems are solved in that in a solar collector containing a closed shell of a transparent single-layer or multilayer material of width L (m), consisting of a central cylindrical surface of radius R (m), mating with it on its extreme edges of two lateral cylindrical surfaces of radius r ( m) and a plane tangent to two lateral cylindrical surfaces, two end caps mounted on the ends of the shell, and a flat heat-receiving panel placed in the shell with a width of H (m) and a thickness of t (m) with selective coating absorbs and with channels for the flow of heat transfer fluid, the geometric dimensions of the shell and the heat-receiving panels are connected by the following relations: 5H≥R≥3H; 1,5t≥r≥ (√2 / 2) t; 1,1H≥L≥1,05H, according to the invention, a flat heat-receiving panel is installed in a plane passing through two axes of the lateral cylindrical surfaces of the collector shell, and is installed across the entire region adjacent to the lateral cylindrical surface of the shell and below the longitudinal edge of the flat heat-receiving panel its length is additional thermal insulation.

На каждую поверхность однослойного или многослойного материала оболочки солнечного коллектора может быть нанесено однослойное просветляющее покрытие в виде пленки SiO₂ толщиной от 0,15 до 0,30 мкм. При толщине пленки меньше 0,15 мкм просветление достигается в основном в ультрафиолетовой области. При толщине пленки более 0,30 мкм просветление достигается в основном в ближней инфракрасной области.A single-layer antireflection coating in the form of a SiO ₂ film with a thickness of 0.15 to 0.30 μm can be applied to each surface of a single-layer or multilayer shell material of the solar collector. When the film thickness is less than 0.15 microns, bleaching is achieved mainly in the ultraviolet region. With a film thickness of more than 0.30 μm, bleaching is achieved mainly in the near infrared region.

Для нанесения просветляющего покрытия на все поверхности может быть использована золь-гель технология получения тонких пленок (см., например, Суйковская Н.В. Химические методы получения тонких прозрачных пленок. Л., Химия, 1971, стр.116). Применение просветляющего покрытия указанного типа позволяет увеличить пропускание однослойного прозрачного материала от 90% до 95%, а двухслойного сотового материала от 81% до 89%, что приводит к соответствующему увеличению эффективности работы коллектора на 5%-8%.For applying an antireflection coating on all surfaces, the sol-gel technology for producing thin films can be used (see, for example, Suikovskaya N.V. Chemical methods for producing thin transparent films. L., Chemistry, 1971, p. 116). The use of an antireflection coating of this type allows increasing the transmission of a single-layer transparent material from 90% to 95%, and a two-layer cellular material from 81% to 89%, which leads to a corresponding increase in the collector efficiency by 5% -8%.

На внешнюю наружную поверхность оболочки солнечного коллектора может быть нанесено распылением на воздухе самоотверждающееся кремнийорганическое гидрофобное покрытие толщиной от 0,02 до 0,05 мкм. При толщине менее 0,02 мкм уменьшается эффективность работы покрытия. При толщине более 0,05 мкм может снизиться эффект просветления лежащего ниже просветляющего покрытия из SiO₂. Гидрофобное покрытие обеспечивает снижение загрязнения поверхности в режиме эксплуатации и эффективную очистку поверхности во время дождя.A self-curing organosilicon hydrophobic coating with a thickness of 0.02 to 0.05 μm can be applied to the outer outer surface of the solar collector shell. With a thickness of less than 0.02 microns, the efficiency of the coating decreases. With a thickness of more than 0.05 μm, the bleaching effect of the underlying SiO ₂ antireflection coating may decrease. The hydrophobic coating provides reduced surface contamination during operation and effective surface cleaning during rain.

На фиг.1 приведено нормальное сечение предлагаемой конструкции солнечного коллектора, на фиг.2 приведено схематическое изображение оболочки из однослойного и двухслойного прозрачного материала, на фиг.3 приведено схематическое изображение оболочки коллектора с нанесенным на ее поверхность просветляющим покрытием и гидрофобным покрытием.Figure 1 shows a normal section of the proposed design of the solar collector, figure 2 shows a schematic representation of the shell of a single-layer and two-layer transparent material, figure 3 shows a schematic illustration of the shell of the collector with a coating on its surface and a hydrophobic coating.

Теплоприемная панель 2 установлена в плоскости, проходящей через оси О боковых цилиндрических поверхностей 5 параллельно основанию корпуса 6. Дополнительная изоляция 1 установлена между продольной кромкой 3 теплоприемной панели 2 и внутренней боковой цилиндрической поверхностью 5.The heat-receiving panel 2 is installed in a plane passing through the axis O of the lateral cylindrical surfaces 5 parallel to the base of the housing 6. Additional insulation 1 is installed between the longitudinal edge 3 of the heat-receiving panel 2 and the inner side cylindrical surface 5.

Солнечные лучи в утренние, дневные и вечерние часы свободно проходят через оболочку 4 и обеспечивают равномерное освещение плоской поверхности теплоприемной панели 2 во всех случаях. Уменьшение тепловых потерь достигнуто за счет установки дополнительной теплоизоляции 1. Предложенная конструкция повышает эффективность работы коллектора, в том числе в утренние и вечерние часы.The sun's rays in the morning, afternoon and evening hours freely pass through the shell 4 and provide uniform illumination of the flat surface of the heat-receiving panel 2 in all cases. Reducing heat loss is achieved by installing additional thermal insulation 1. The proposed design increases the efficiency of the collector, including in the morning and evening hours.

На поверхность однослойного или двухслойного прозрачного материала оболочки 4 может быть нанесено однослойное просветляющее покрытие 7 из слоя SiO₂ толщиной 0,15-0,30 мкм (фиг.2).On the surface of a single-layer or two-layer transparent material of the shell 4 can be applied a single-layer antireflection coating 7 of a layer of SiO ₂ with a thickness of 0.15-0.30 μm (figure 2).

На поверхность оболочки 4 солнечного коллектора может быть нанесено просветляющее покрытие 7 и гидрофобное покрытие 8.An antireflection coating 7 and a hydrophobic coating 8 can be applied to the surface of the shell 4 of the solar collector.

Применение предлагаемого технического решения позволит увеличить эффективность работы солнечного коллектора на 10-15%, увеличить его стойкость к атмосферным воздействиям.Application of the proposed technical solution will increase the efficiency of the solar collector by 10-15%, increase its resistance to weathering.

Claims

1. A solar collector comprising a closed shell of a transparent single-layer or multilayer material of width L, consisting of a central cylindrical surface of radius R, mating with it at its extreme edges of two side cylindrical surfaces of radius r and a plane tangent to two side cylindrical surfaces, two end covers installed on the ends of the shell and a flat heat-receiving panel placed in the shell with a width of H and a thickness of t with a selective absorbing coating and with channels for leakage liquid heat carrier, moreover, the geometric dimensions of the shell and heat-receiving panel are connected by the following ratios: 5H≥R≥3H; 1,5t≥r≥ (√2 / 2) t; 1,1H≥L≥1,05H, characterized in that the flat heat-receiving panel is installed in a plane passing through two axes of the lateral cylindrical surfaces of the shell of the collector, and in the area adjacent to the lateral cylindrical surface of the shell and below the longitudinal edge of the flat heat-receiving panel, is installed along its entire length additional thermal insulation.

2. The solar collector according to claim 1, characterized in that the shell of the solar collector on the external or on each of its surfaces has a single-layer antireflective coating in the form of a SiO ₂ film with a thickness of 0.15 to 0.3 μm.

3. The solar collector according to claim 2, characterized in that an additional hydrophobic coating with a thickness of 0.02 to 0.05 μm from self-solidifying organosilicon material in air is applied to the outer outer surface of the shell.