Фототермический модуль

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович Ковалевский Вячеслав Иосифович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Фототермический модуль, содержащий прозрачное защитное покрытие и поглотитель солнечного излучения в виде каналов, на поверхности которых нанесено светопоглощающее покрытие, отличающийся тем, что выполнен в виде герметичной треугольной призмы, имеющей возможность влагонепроницаемого соединения друг с другом, на первой из боковых граней которой расположено прозрачное защитное плоское покрытие с теплоаккумулирующими свойствами и просветляющим слоем с внешней стороны, вторая грань выполнена упругой и на ней расположен поглотитель солнечного излучения, а светопоглощающее покрытие имеет периодическую структуру как по глубине,так и вдоль поверхности, при этом поглотитель солнечного излучения оптически связан с прозрачным защитным плоским покрытием как непосредственно, так и через зеркальные защитные основания и третью зеркальную боковую грань. 2. Фототермический модуль по п. 1, отличающийся тем, что в герметичной треугольной призме создан вакуум. 67722010.10.30 3. Фототермический модуль по п. 2, отличающийся тем, что герметичная треугольная призма заполнена газом с низкой теплопроводностью. 4. Фототермический модуль по п. 1, отличающийся тем, что периодическая структура светопоглощающего покрытия содержит по глубине чередующиеся слои диэлектрика и металлических наноэлементов с периодом 1, равным четверти центральной длины волны инфракрасного диапазона солнечной радиации. 5. Фототермический модуль по п. 1, отличающийся тем, что в верхнем диэлектрическом слое периодической структуры светопоглощающего покрытия выполнены штрихи глубиной 2 и периодом 2 расположения их на его поверхности, равными центральной длине волны видимого диапазона солнечного излучения. 6. Фототермический модуль по п. 5, отличающийся тем, что в верхнем диэлектрическом слое периодической структуры светопоглощающего покрытия выполнены штрихи,глубина и период расположения 3 которых изменяются по случайному закону в интервале 0,4 мкм 34 мкм. 7. Фототермический модуль по п. 1, отличающийся тем, что вторая упругая боковая грань треугольной призмы выполнена теплоизолирующей. Полезная модель относится к области гелиоэнергетики и может быть использована в конструкциях солнечных коллекторов, предназначенных для нужд народного хозяйства, а именно в системах отопления и горячего водоснабжения. Известен солнечный коллектор 1 для нагрева жидкого теплоносителя, содержащий герметичный корпус с прозрачной передней стенкой, теплоприемное устройство для передачи тепла теплоносителю, выполненное в виде панели, состоящей из двух соединенных между собой элементов (причем один из элементов имеет развитую поверхность в виде гофр, а другой плоский, либо оба элемента гофрированные), образующих замкнутые каналы, сообщающиеся на входе и выходе с распределительным и сборным каналами, на внешнюю поверхность панели нанесено селективное покрытие, отличающийся тем, что в пространстве между прозрачным защитным покрытием и теплоприемной панелью создан вакуум либо оно заполнено аргоном, либо специальными газами, содержащими люминофоры, которые позволяют сместить спектр падающего излучения в инфракрасную область, оптимальное расстояние между защитным покрытием и теплоприемной панелью составляет(3560) мм, теплоприемная панель выполнена с достаточно большим числом продольных каналов(30100) на 1 м 2 и состоит из внешнего элемента, выполненного из прозрачного материала толщиной 0(0,14,0) мм (например, специального гелиотехнического стекла или упрочненного стекла с хорошей проводимостью всех видов спектров, в том числе и УФ-спектра и т.д., помимо стекла возможно применение пластиков), и внутреннего элемента, выполненного из материала толщиной 0(0,10,5) мм с хорошей поглощающей способностью и теплопроводностью (например, нержавеющей стали, стали ферритного класса, конструкционных сталей с антикоррозионным покрытием, металлопластиков), с селективным покрытием на поверхности, ориентированной в сторону воспринимаемого излучения, внутренний элемент в поперечном сечении имеет периодический профиль с чередованием плоских выступов, предусмотренных для сборки,и каналов с параболической образующей для улучшенного теплоприема, описываемой следующей зависимостью 2 67722010.10.302, в образованных замкнутых каналах теплоприемной панели циркулирует теплоноситель,представляющий из себя специальное вещество - люминофор, которое позволяет путем смещения спектра падающего излучения преобразовывать данное излучение в инфракрасное,поглощаемое внутренним металлическимэлементом, от чего происходит его разогрев, далее внутренний элемент посредством теплопроводности разогревает теплоноситель, тепло от которого передается потребителю. Данное устройство имеет низкий коэффициент поглощения солнечного излучения,сложный многоэтапный процесс поглощения энергии света, более того, площадь элементов теплоприемного устройства равна площади солнечного коллектора, что исключает достижение высокой температуры теплоносителя. Ограниченные функциональные возможности исключают применение данного коллектора в качестве элементов построек, например, крыш, стен и т.д. Наиболее близким по технической сущности является солнечный коллектор 2, содержащий прозрачное защитное покрытие и поглотитель солнечной энергии, выполненный в виде каналов, заполненных текучим теплоносителем и сообщенных с потребителем,причем защитное покрытие выполнено в виде, по меньшей мере, одного перфорированного гофрированного листа, расположенного над поглотителем солнечной энергии, который выполнен из гофрированных листов, расположенных с возможностью соединения друг с другом и образования при этом каналов для движения текучей среды, причем нижняя часть каналов выполнена светопоглощающей, а верхняя часть каналов - прозрачной. Устройство имеет невысокую эффективность преобразования солнечной энергии в тепло, определяемую отношением полученной тепловой энергии к стоимости солнечного коллектора, вызванную тем, что площадь дорогостоящего поглотителя солнечной энергии равна площади солнечного коллектора. Более того, большая площадь прозрачного защитного покрытия увеличивает потери тепла за счет процессов конвекции. Невозможность герметичного соединения таких солнечных коллекторов существенно ограничивает их сферу использования. Техническая задача - повышение эффективности преобразования солнечного излучения при одновременном расширении сферы использования фототермического модуля. Поставленная техническая задача решается тем, что фототермический модуль, содержащий прозрачное защитное покрытие и поглотитель солнечного излучения в виде каналов, на поверхности которых нанесено светопоглощающее покрытие, выполнен в виде герметичной треугольной призмы, имеющей возможность влагонепроницаемого соединения друг с другом, на первой из боковых граней которой расположено прозрачное защитное плоское покрытие с теплоаккумулирующими свойствами и просветляющим слоем с внешней стороны, вторая грань выполнена упругой и на ней расположен поглотитель солнечного излучения, а светопоглощающее покрытие имеет периодическую структуру как по глубине, так и вдоль поверхности, при этом поглотитель солнечного излучения оптически связан с прозрачным защитным плоским покрытием как непосредственно, так и через зеркальные защитные основания и третью зеркальную боковую грань. Для эффективного решения поставленной технической задачи в герметичной треугольной призме создан вакуум для исключения потерь тепловой энергии, так как вакуум является идеальным теплоизолятором. Для эффективного решения поставленной технической задачи герметичная треугольная призма заполнена газом с низкой теплопроводностью для частичного исключения тепловых потерь из-за низкой теплопроводности используемого вещества. Для эффективного решения поставленной технической задачи периодическая структура светопоглощающего покрытия содержит по глубине чередующиеся слои диэлектрика 67722010.10.30 и металлических наноэлементов с периодом 1, равным четверти центральной длины волны инфракрасного диапазона солнечной радиации, для повышения эффективности поглощения инфракрасного излучения из-за уменьшения потерь на отражение. Для эффективного решения поставленной технической задачи в верхнем диэлектрическом слое периодической структуры светопоглощающего покрытия выполнены штрихи глубиной 2 и периодом 2 расположения их на его поверхности, равными центральной длине волны видимого диапазона солнечного излучения, для повышения эффективности поглощения излучения видимого диапазона из-за уменьшения потерь на отражение. Для эффективного решения поставленной технической задачи в верхнем диэлектрическом слое периодической структуры светопоглощающего покрытия выполнены штрихи,глубина и период расположения 3 которых изменяются по случайному закону в интервале 0,4 мкм 34 мкм, для повышения эффективности поглощения за счет обеспечения его дифрагирования вдоль поверхности каналов. Для эффективного решения поставленной технической задачи вторая упругая боковая грань треугольной призмы выполнена теплоизолирующей, чтобы исключить тепловые потери. Совокупность указанных признаков позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного излучения за счет расширения диапазона преобразуемых длин волн и улучшения теплоаккумулирующих свойств треугольной призмы. Сущность полезной модели на фиг. 1, 2, где представлены виды фототермического модуля, и на фиг. 3, где изображен разрез поглотителя солнечного излучения. Фототермический модуль выполнен в виде герметичной треугольной призмы 1 с зеркальными защитными основаниями 8, третьей зеркальной боковой гранью 9, с первой боковой гранью с прозрачным защитным плоским покрытием 2, с теплоаккумулирующими свойствами и просветляющим слоем 3 с внешней стороны, а также второй упругой боковой гранью 4, на которой расположен поглотитель солнечного излучения 5 в виде каналов 6,на поверхности которых расположено светопоглощающее покрытие 7. Поглотитель солнечного излучения 5 оптически связан с прозрачным защитным плоским покрытием первой боковой грани 2 как непосредственно, так и через третью зеркальную боковую грань 9 и зеркальные защитные основания 8. Фототермический модуль выполнен с возможностью влагонепроницаемого соединения друг с другом. В конкретном исполнении первая боковая грань с прозрачным защитным плоским покрытием 2 треугольной призмы 1 - это лист селективного низкоэмиссионного стекла,покрытого с внутренней стороны в процессе изготовления слоем окиси олова, который отражает излучение дальнего ИК диапазона. Просветляющий слой 3 - это пленка 2 толщиной 0,3 мкм, выполненная по вакуумной технологии с внешней стороны на листе селективного низкоэмиссионного стекла, из которого выполнена первая боковая грань с прозрачным защитным плоским покрытием 2. Вторая упругая боковая грань 4 треугольной призмы 1 - это пластина вакуумной резины или пластина пористого полиуретана (в случае теплозащитного исполнения). Поглотитель солнечного излучения 5 - это набор металлопластиковых труб, расположенных на второй упругой боковой грани 4, армированных алюминием, на которые нанесено светопоглощающее покрытие 7, представляющее собой периодическую структуру наноэлементов хрома, нанесенных по вакуумной технологии на подготовленную поверхность металлопластиковых труб поглотителя солнечной энергии 5. Каналы 6 - это внутренние полости труб, которые могут при необходимости заполняться текущим теплоносителем, который представляет собой, например, антифриз зимой и вода - летом. Зеркальные защитные основания 8 и третья зеркальная боковая грань 9 - это листы силикатного стекла, на которые по вакуумной технологии нанесены пленки алюминия толщиной 0,25 мкм. Стыки между всеми боковыми гранями и основаниями треугольной призмы 1 заполнены резиноподобным клеем, например силиконовым герметиком, обеспечивая герметичность фототермического модуля. 4 67722010.10.30 Работает устройство следующим образом. Солнечное излучение через первую боковую грань с прозрачным защитным плоским покрытием 2 треугольной призмы 1 поступает на поглотитель солнечного излучения 5 непосредственно (луч , фиг. 1) либо отразившись от третьей зеркальной боковой грани 9 (луч , фиг. 1), или от зеркальных защитных оснований 8 треугольной призмы 1 (луч , фиг. 2), либо последовательно отразившись от третьей зеркальной боковой грани 9 и внутренней стороны первой боковой грани с прозрачным защитным плоским покрытием 2 треугольной призмы 1 (луч , фиг. 1). Если в герметичной треугольной призме 1 создан вакуум (теплоизолятор) и вторая упругая боковая грань 4 ее выполнена теплоизолирующей, то имеем минимальный теплообмен устройства с внешней средой. При заполнении герметичной треугольной призмы 1 газом с низкой теплопроводностью теплообмен несколько увеличивается, но при этом упрощается технология изготовления устройства. Таким образом, сконцентрированное солнечное излучение всего спектрального диапазона взаимодействует со светопоглощающим покрытием 7, расположенным на поверхности всех каналов 6, составляющих поглотитель солнечного излучения 5. В результате этого взаимодействия солнечное излучение видимого диапазона дифрагирует вдоль поверхности каналов 6, где эффективно поглощается металлическими наноэлементами светопоглощающего покрытия 7. Если светопоглощающее покрытие 7 содержит по глубине чередующиеся слои диэлектрика и металлических наноэлементов с периодом 1, равным четверти центральной длины волны инфракрасного диапазона солнечной радиации, то эффективность его поглощения повышается. Более того, при выполнении светопоглощающего покрытия 7 со штрихами глубиной 2 и периодом 2, расположенными на его поверхности, где 2 равно центральной длине волны видимого диапазона солнечного излучения, эффективность поглощения этого диапазона также повышается. И, наконец, при выполнении светопоглощающего покрытия 7 со штрихами, глубина и период расположения 3 которых изменяются по случайному закону в интервале 0,4 мкм 34 мкм, увеличивается поглощение всего спектрального диапазона преобразуемого солнечного излучения. Одновременно остальная часть спектра солнечного излучения распространяется вглубь светопоглощающего покрытия 7, где она эффективно поглощается внутренними слоями металлических наноэлементов. А незначительная часть солнечного излучения, отразившаяся от цилиндрических поверхностей светопоглощающего покрытия 7, опять попадает на светопоглощающее покрытие 7 соседних каналов 6 (фиг. 3). При этом излучение от нагреваемых поверхностей поглотителя солнечного излучения 5 (луч , фиг. 1) отражается от слоя окиси олова, находящегося на внутренней поверхности первой боковой грани с прозрачным защитным плоским покрытием 2 треугольной призмы 1, а также от третьей зеркальной боковой грани 9 и возвращается обратно. Следует отметить, что фототермические модули имеют возможность влагонепроницаемо соединяться друг с другом и таким образом заменять элементы строений - крыш и стен. В этом случае один из вариантов таких соединений фототермических модулей может быть осуществлен с помощью пазов 10 и выступов 11, расположенных на соединяемых треугольных призмах 1, что существенно улучшает теплоизолирующие свойства строений. Таким образом, предлагаемая модель позволяет расширить спектр преобразуемого солнечного излучения, снизить теплообмен, уменьшить площадь дорогостоящего поглотителя солнечного излучения 5 по сравнению с площадью всего устройства почти в 5 раз. Кроме этого, фототермические модули могут монтироваться вместо крыш (и), или стен, что позволяет получать экологически чистую тепловую энергию в системах обогрева и улучшает теплоизолирующие свойства строений. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6