EA028239B1 - Концентратор солнечной энергии - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области использования солнечного тепла и может быть использовано для преобразования солнечной энергии в механическую, тепловую или электрическую энергию. Концентратор солнечной энергии включает опорную конструкцию, в фиксирующих посадочных местах которой расположен отражатель, концентрирующий солнечное излучение на расположенном в фокальной области протяженном приемнике. Концентратор выполнен в виде замкнутой цилиндрической поверхности, в посадочных местах расположены отражающие свет фацеты с переменным углом к ней и с промежутками между фацетами, суммарная площадь которых равна или превышает площадь концентратора, а приемник расположен вдоль оси цилиндрической поверхности. Изобретение обеспечивает уменьшение ветровой нагрузки, а также устраняет опасность нанесения вреда окружающим предметам и человеку.

Description

Изобретение относится к области использования солнечного тепла и может быть применено для преобразования солнечной энергии в механическую, тепловую или электрическую энергию в различных областях техники, а также в быту, в частности, для подогрева воды, отопления помещений, приготовления пищи.

Известно использование для концентрации солнечной энергии сплошных параболоцилиндрических зеркал (патент России 2300058 МКИ Р241 2/14 от 27.05.2007 г. Параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии с абсорбером и системой слежения за солнцем).

Такие системы позволяют сконцентрировать в фокальной области солнечную энергию большой мощности, но при этом обладают высокой парусностью, что требует использования мощных несущих конструкций и, как следствие, значительных затрат энергии на обеспечение слежения концентратора за положением Солнца. Кроме того, при порывах ветра система слежения может не справляться с нагрузками и мощный поток энергии выходит за пределы приемника излучения и может нанести вред окружающим предметам, птицам, животным и человеку.

Известен концентратор солнечной энергии (авторское свидетельство СССР № 1633238, Р241 2/10, 1991 г.) с плоскими отражающими элементами, которые опираются на направляющие в виде параболоцилиндрической поверхности.

Недостатком известного устройства, как и предыдущего, является достаточно высокая парусность, так как щелеобразные промежутки между отражающими элементами имеют незначительную площадь по сравнению с площадью всего концентратора и не могут быть достаточно увеличены из-за расфокусировки солнечной энергии. При этом также возникает необходимость использования мощных опорных конструкций как самого концентратора, так и системы слежения за положением Солнца.

Наиболее близким по технической сущности является концентратор солнечной энергии (патент РФ 2188364, Р241 2/14 от 27.08.2002 г.), включающий опорную конструкцию, в фиксирующих посадочных местах которой расположены отражающие свет фацеты, которые образуют цилиндрическую поверхность и концентрируют солнечную энергию на протяженный приемник излучения, расположенный вдоль оси цилиндрической поверхности.

Указанный концентратор также имеет высокую парусность, так как площадь щелевых промежутков между фацетами, как и в вышеприведенных аналогах, составляет малую часть по сравнению с площадью концентратора. Это также приводит к тому, что необходимо использовать тяжелые и материалоемкие несущие конструкции как самого концентратора, так и системы слежения за положением Солнца. Кроме того, конструктивные особенности известного концентратора не устраняют опасности нанесения вреда окружающим предметам, птицам, животным и человеку в случае сильных порывов ветра или выхода из строя системы слежения, так как мощный поток энергии в этом случае неконтролируемо выходит за пределы приемника излучения.

В основу изобретения поставлена задача уменьшения ветровой нагрузки на элементы концентратора, уменьшения веса и материалоемкости несущих конструкций как самого концентратора, так и системы слежения за положением Солнца, а также устранение опасности нанесения вреда окружающим предметам, птицам, животным и человеку.

Поставленная задача решается тем, что в концентраторе солнечной энергии, включающем опорную конструкцию, в фиксирующих посадочных местах которой расположены отражающие свет фацеты, которые образуют цилиндрическую поверхность и концентрируют солнечную энергию на протяженный приемник излучения, расположенный вдоль оси цилиндрической поверхности, согласно изобретению цилиндрическая поверхность концентратора выполнена в форме замкнутой цилиндрической поверхности, при этом отражающие фацеты расположены по замкнутой кривой цилиндрической поверхности с переменным углом к ней, обеспечивая максимальную концентрацию солнечной энергии на протяженном приемнике излучения, и с промежутками между отражающими фацетами, суммарная площадь которых равна или превышает апертуру концентратора.

Выполнение поверхности концентратора в виде замкнутой цилиндрической поверхности приводит к тому, что при сохранении одной и той же апертуры концентратора, что и у ближайшего аналога, между отражающими фацетами можно образовать большие промежутки, почти на ширину фацеты. Это резко уменьшает парусность концентратора, так как поток ветра имеет возможность почти беспрепятственно пройти сквозь концентратор. Поскольку между фацетами образовались промежутки, то для обеспечения максимальной концентрации солнечной энергии (не меньшей, чем у аналога) их необходимо располагать вдоль замкнутой цилиндрической поверхности под переменными углами к ней. Расположение фацет с переменным углом, позволяет изменять распределение мощности солнечной энергии в фокальной полосе в соответствии с геометрическими размерами и формой приемника излучения, обеспечивая максимальный уровень сбора энергии. Кроме того, изменяя углы отражающих фацет относительно фокальной полосы, можно изменять положение фокальной полосы, располагая ее или по центру цилиндрической опорной конструкции, или смещая в ту или иную сторону. Это расширяет функциональные возможности концентратора, так как для любого приемника можно создать оптимальное распределение мощности, что обеспечит максимальный коэффициент преобразования солнечной энергии. Расположение отражающих элементов с одной стороны фокальной плоскости, напротив промежутков между отражающими элемен- 1 028239 тами, расположенными с другой стороны фокальной плоскости, обеспечивает максимальную степень сбора энергии.

Если отражающие фацеты, которые находятся с одной стороны концентратора, расположить напротив промежутков между отражающими фацетами, расположенными с другой стороны концентратора, то в этом случае концентратор будет собирать наибольшее количество солнечной энергии, поскольку фацеты не будут затенять друг друга. Т.е. ни один квант солнечной энергии, который попал в апертуру, не пройдет мимо отражающих фацет концентратора и обязательно попадет на приемник излучения. При этом даже появляется возможность почти вдвое уменьшить общую толщину концентратора при сохранении прежней апертуры. В результате форма концентратора из чашеобразной, которую имеет ближайший аналог, превращается в симметричную и хорошо обтекаемую ветром форму сплющенного цилиндра. Суммарная площадь промежутков между отражающими фацетами может быть равной или даже превышать площадь входной апертуры концентратора.

Если фацеты выполнены плоскими и одинаковой ширины, то поперечный размер протяженного приемника излучения не может быть меньшим, чем ширина фацеты. Ибо в противном случае приемник не сможет поглотить всю собранную фацетом энергию, что приведет к снижению эффективности концентратора. Если фацеты изготовить в виде цилиндрических поверхностей, то в этом случае они будут фокусировать солнечную энергию на приемник, и его поперечный размер, а также и вес можно будет уменьшить в несколько раз. Наибольший эффект будет достигнут если радиус кривизны цилиндрической поверхности фацета будет вдвое большим, чем расстояние между этим фацетом и приемником излучения.

Если отражающие фацеты выполнены в виде дифракционных решеток, то в этом случае появляется возможность влиять на спектральный состав сконцентрированной энергии и возможность раздельного использования разных частей спектра солнечного излучения. Например, инфракрасный участок спектра использовать для нагрева теплоносителя, участок видимого света - для генерации электричества с помощью фотовольтаических панелей, а ультрафиолетовое излучение для дезинфекции и обеззаражения воды. И все это в одном устройстве.

Если отражающие фацеты выполнены в виде голограмм, то в этом случае появляется возможность не только влиять на спектральный состав сконцентрированной энергии, но и произвольным образом изменять место и форму ее локализации. Это значительно расширяет функциональные возможности концентратора и сферы его использования.

Отличительные признаки изобретения обеспечивают возможность формировать фокальную область излучения в геометрическом центре симметрии и в центре его тяжести одновременно. Это приводит к существенному облегчению конструкции системы слежения и уменьшению затрат энергии на управление положением концентратора относительно Солнца. Кроме того, приемник, находящийся в центре симметрии концентратора, не требует механической связи с концентратором, что позволяет использовать тяжелые и громоздкие приемники, например паровой котел или сложные преобразователи с системами водяного охлаждения при облегченной конструкции концентратора, например, в виде ажурной симметричной сбалансированной ветроустойчивой конструкции, на управление которой расходуется незначительная энергия.

Тот факт, что фокальная область, в которой сосредоточена большая тепловая энергия, находится внутри концентратора, полностью исключает всякую возможность даже случайного попадания в нее посторонних предметов, птиц, животных и людей. Кроме того, при выходе из строя системы слежения и смещении Солнца от оптической оси, сконцентрированная энергия не выходит за пределы концентратора, а распадается на отдельные потоки от каждого отражающего фацета. Энергия этих потоков невелика и не может нанести вред ни элементам концентратора, ни окружающим предметам, птицам, животным и человеку.

Таким образом, приведенная выше причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и техническим результатом не является очевидной для среднего специалиста, не известна из уровня техники, что свидетельствует о том, что предложенное нами изобретение соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображены цилиндрические опорные конструкции 1, отражающие фацеты 2, находящиеся перед фокальной полосой, отражающие фацеты 3, находящиеся за фокальной полосой, приемник 4 солнечной энергии, поток 5 солнечной энергии и проекция плоскости 6, в которой лежит фокальная полоса.

Работает концентратор солнечной энергии следующим образом. Ориентируют солнечный концентратор так, чтобы плоскость 6, в которой лежит фокальная полоса, была перпендикулярна потоку 5 солнечной энергии. Тогда, поток 5 солнечной энергии, достигший отражающих фацет 2, отражается от них и направляется на приемник 4 солнечной энергии. Поток 5 солнечной энергии, который прошел через промежутки между отражающими фацетами 2, попадает на отражающие фацеты 3, отражается от них и тоже направляется на приемник 4 солнечной энергии. Таким образом, весь поток солнечной энергии, попавший в апертуру концентратора, направляется на приемник 4 солнечной энергии.

При изменении угла солнечного концентратора по отношению к потоку солнечной энергии проис- 2 028239 ходит с одной стороны затенение отражающих фацет 3 отражающими фацетами 2, а с другой стороны на приемник 4 солнечной энергии попадает меньший поток от отражающих фацет 2. В результате, фокальная полоса плавно размывается. Это очень важное свойство для систем, где необходимо в течение длительного времени поддерживать постоянную температуру, например в солнечном опреснителе. И, кроме того, солнечное излучение выходит за пределы концентратора ослабленным и не может нанести вред окружающим предметам, птицам, животным и человеку.

В одном из вариантов изготовления концентратора солнечной энергии, цилиндрические опорные конструкции 1 изготовлены в количестве 4-х штук из листового прозрачного акрила толщиной 3 мм, в которых для фиксации отражающих фацет 2 и 3 сделаны пропилы. Отражающие элементы 2 и 3 изготовлены из зеркального листового полистирола толщиной 3 мм, имеющего в видимом диапазоне коэффициент отражения 0,75-0,85. В качестве приемника 4 солнечной энергии использована вакуумная трубка длиной 85 см. Размер концентратора 0,77x0,75 м, вес 4,4 кг и тепловая мощность 500 Вт.

В другом варианте исполнения концентратора солнечной энергии цилиндрические опорные конструкции 1 изготовлены из композиционного материала (полистирол с двух сторон ламинированный алюминиевой фольгой) толщиной 3 мм в количестве 8 штук. Отражающие фацеты 2 и 3 выполнены из зеркального алюминия толщиной 0,4 мм и имеющего коэффициент отражения 0,92-0,95. В качестве приемника 4 солнечной энергии использована вакуумная трубка длиной 180 см. Размер концентратора 1,75x0,8 м, вес 10,5 кг и тепловая мощность 1 кВт.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует всем критериям охраноспособного изобретения, так как обладает мировой новизной, высоким изобретательский уровнем, не является очевидным для специалиста в данной области и промышленно применимо.

Claims (5)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Концентратор солнечной энергии, включающий опорную конструкцию, в фиксирующих посадочных местах которой расположены отражающие свет фацеты, которые образуют цилиндрическую поверхность и концентрируют солнечную энергию на протяженный приемник излучения, расположенный вдоль оси цилиндрической поверхности, отличающийся тем, что цилиндрическая поверхность концентратора выполнена в форме замкнутой цилиндрической поверхности, при этом отражающие фацеты расположены по замкнутой кривой цилиндрической поверхности с переменным углом к ней, обеспечивая максимальную концентрацию солнечной энергии на протяженном приемнике излучения, и с промежутками между отражающими фацетами, суммарная площадь которых равна или превышает апертуру концентратора.
2. 2. Концентратор солнечной энергии по п.1, отличающийся тем, что отражающие фацеты, которые находятся с одной стороны концентратора, расположены напротив промежутков между отражающими фацетами, которые находятся с другой стороны концентратора.
3. 3. Концентратор солнечной энергии по п.1, отличающийся тем, что отражающие фацеты выполнены в виде цилиндрических поверхностей, радиус кривизны которых в два раза больше, чем расстояние фацеты до приемника излучения.
4. 4. Концентратор солнечной энергии по п.1, отличающийся тем, что отражающие фацеты выполнены в виде дифракционных решеток.
5. 5. Концентратор солнечной энергии по п.1, отличающийся тем, что отражающие фацеты выполнены в виде голограмм.