UA34110C2

UA34110C2 - Static solar concentrator

Info

Publication number: UA34110C2
Application number: UA99063063A
Authority: UA
Inventors: Володимир Петрович Погрібняк; Владимир Петрович Погрибняк
Original assignee: Володимир Петрович Погрібняк; Владимир Петрович Погрибняк
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2003-04-15

Abstract

Main point of the invention is in making a static solar concentrator protected against atmospheric precipitations and wind, to increase density of energy of solar radiation without changing its spatial position depending on the Sun position in the sky, for instance, depending on the time of the day, or of season of the year. Concentrator receives the direct, diffused and reflected sun radiation and heats black receiver of optical radiation and heat carrier in it.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до області енергетики і може бути використаний для підвищення щільності потоку 2 сонячного випромінення при створенні екологічно чистих пристроїв: теплогенераторів, парогенераторів, теплоелектростанцій, опріснювачів води, а також для обігріву жилих і промислових будівель, підігріву води, накопичення енергії в теплових акумуляторах.The invention relates to the field of energy and can be used to increase the density of the flow of solar radiation 2 in the creation of environmentally friendly devices: heat generators, steam generators, thermal power plants, water desalination plants, as well as for heating residential and industrial buildings, heating water, and storing energy in thermal accumulators.

Відомі сонячні концентратори, що використовуються при створенні сонячних теплоелектростанцій, представляють собою систему параболічних керованих дзеркал відстежуючих положення Сонця, що фокусують 70 енергію на зачорнених трубках з наступним випаруванням теплоносія в них і передачею пару на електрогенератор (|).Well-known solar concentrators, used in the creation of solar thermal power plants, are a system of parabolic controlled mirrors tracking the position of the Sun, which focus 70 energy on blackened tubes, followed by evaporation of the heat carrier in them and the transfer of steam to the electric generator (|).

Відомо, що в складі сонячного колектора в якості концентратора може використовуватись дзеркальний зрізаний конус з пустотілим сферичним приймачем на меншому діаметрі конуса (21. При цьому, світлові промені, багаторазово відбившись від стінок попадають на приймач і там практично повністю віддають своє тепло, яке 12 нагріває теплоносій.It is known that a mirror truncated cone with a hollow spherical receiver on a smaller diameter of the cone (21 coolant

Недоліком такої конструкції концентратора є необхідність постійного відстеження усіх дзеркальних концентраторів за положенням Сонця в залежності від пори року і добового часу, що приведе до підвищення вартості сонячних станцій, а також низька ефективність регістрації розсіяного випромінення хмарами, що приводить до низького значення одержаної енергії вранці і після полудня. 20 Суть винаходу - створення високоефективного статичного сонячного концентратора без відстеження за положенням Сонця залежно від пори року й добового часу, захищеного від атмосферних опадів, вітру, що ловить прямі, розсіяні й відбиті сонячні промені, для підвищення щільності потоку сонячного випромінення й направлення потоку сонячного випромінення на теплообмінник за рахунок виконання його у вигляді М зрізанихThe disadvantage of such a concentrator design is the need for constant tracking of all mirror concentrators according to the position of the Sun depending on the season and time of day, which will lead to an increase in the cost of solar stations, as well as the low efficiency of recording scattered radiation by clouds, which leads to a low value of the received energy in the morning and after noon 20 The essence of the invention is the creation of a highly efficient static solar concentrator without tracking the position of the Sun depending on the season and time of day, protected from precipitation, wind, catching direct, scattered and reflected solar rays, to increase the density of the solar radiation flow and direct the solar radiation flow on the heat exchanger due to its implementation in the form of M truncated

М-кутових пірамід, довільної конфігурації, переважно симетричної форми, створених звужуючими дзеркальними с 25 поверхнями, де М » 1, М » 3, розміщених разом з приймачем всередині захисної прозорої оболонки, при цьому (3 піраміди своїми основами розподілені, як правило, рівномірно, всередині тілесного кута, направленого в сторону небесної сфери, переважно в напрямку екліптики Сонця, а зрізані вершини М пустотілих пірамід направлені на приймач оптичного випромінення.M-angled pyramids, of arbitrary configuration, mostly symmetrical in shape, created by tapering mirror surfaces with 25 surfaces, where M » 1, M » 3, placed together with the receiver inside a protective transparent shell, while (3 pyramids with their bases distributed, as a rule, evenly , inside the solid angle, directed towards the celestial sphere, mainly in the direction of the ecliptic of the Sun, and the truncated tops of M hollow pyramids are directed to the receiver of optical radiation.

На кресленні приведений приклад виконання конструкції запропонованого статичного концентратора для о 30 північної півкулі Землі |Див. Фіг.1, Розріз по А-А, Фіг.2). «-The drawing shows an example of the construction of the proposed static concentrator for 30 o'clock in the northern hemisphere of the Earth | See Fig. 1, Section along AA, Fig. 2). "-

Поставлена задача вирішується таким чином, що статичний сонячний концентратор без орієнтації на Сонце, залежно від пори року й добового часу, що ловить прямі, розсіяні й відбиті сонячні промені, захищений від - атмосферних опадів і вітру, складається із зрізаних пустотілих пірамід 1, 2, ... 16 із повним внутрішнім чЕ відбиттям оптичного випромінення, розміщених на основі 17 і закритих прозорою оболонкою 18, створенихThe task is solved in such a way that a static solar concentrator without orientation to the Sun, depending on the season and time of day, which catches direct, scattered and reflected solar rays, is protected from atmospheric precipitation and wind, consists of truncated hollow pyramids 1, 2, ... 16 with full internal CE reflection of optical radiation, placed on the base 17 and closed by a transparent shell 18, created

Зо звужуючими дзеркальними поверхнями. Зрізані піраміди 1, 2, ... 16 в даному випадку являються чотиригранними о і своїми основами направлені в напрямку небесної сфери, переважно в напрямку екліптики Сонця - видимого річного його переміщення по небесній сфері, а зрізані вершини пірамід направлені на зачорнений приймач 19 оптичного випромінення. При цьому, оптимальна орієнтація основ пірамід 1,2,...16 в напрямку небесної сфери « проводиться з урахуванням реєстрації сумарного - прямого і розсіяного випромінення Сонця і в залежності від З7З часу, коли потрібно одержати максимум енергії в даній місцевості |З). Кількість пірамід в концентраторі, їх с геометричні розміри залежать від необхідної величини теплової енергії, яку необхідно накопичити за заданий "з проміжок часу в місці спорудження концентратора, з урахуванням коефіцієнта передачі величини потоку оптичного випромінення, яке попадає в основу М-кутової піраміди, по відношенню до величини цього потоку на виході зрізаної М-кутової піраміди. Цей коефіцієнт може визначатись, наприклад, експериментально, по результатам досліджень зменшених копій кожної з М М-кутових пірамід. о Сонячні промені 20 вранці і сонячні промені 21 в вечірній час попадають через прозору оболонку 18 т» переважно на основи пірамід 8, 9 і пірамід 5, 4 відповідно. Вдень, при наявності незначної хмарності (41) з розсіяне від хмар випромінювання попадає практично на основи всіх пірамід 1, 2, ... 16 і, багаторазово відбившись від дзеркальних поверхонь, потрапляє на приймач 19.Всі піраміди 1, 2, ... 16, показані на Фіг.1, - 0 Фіг? рівні між собою.With tapering mirror surfaces. Truncated pyramids 1, 2, ... 16 in this case are tetrahedral o and their bases are directed in the direction of the celestial sphere, mainly in the direction of the ecliptic of the Sun - its visible annual movement across the celestial sphere, and the truncated tops of the pyramids are directed to the blackened receiver 19 of optical radiation . At the same time, the optimal orientation of the bases of the pyramids 1,2,...16 in the direction of the celestial sphere "is carried out taking into account the registration of the total - direct and scattered radiation of the Sun and depending on З7З the time when it is necessary to obtain the maximum energy in this area |З). The number of pyramids in the concentrator, their geometric dimensions depend on the required amount of thermal energy, which must be accumulated for a given period of time at the place of construction of the concentrator, taking into account the coefficient of transmission of the amount of the flow of optical radiation that enters the base of the M-angled pyramid, in relation to to the magnitude of this flow at the exit of the truncated M-angled pyramid. This coefficient can be determined, for example, experimentally, based on the results of research on reduced copies of each of the M M-angled pyramids. o Sun rays 20 in the morning and sun rays 21 in the evening enter through a transparent shell 18 t" mainly on the bases of pyramids 8, 9 and pyramids 5, 4, respectively. During the day, in the presence of slight cloud cover (41), the radiation scattered from the clouds falls almost on the bases of all pyramids 1, 2, ... 16 and, having repeatedly reflected from mirror surfaces, falls on the receiver 19. All pyramids 1, 2, ... 16, shown in Fig. 1, - 0 Fig. are equal to each other.

Принцип роботи статичного сонячного концентратора полягає в підвищенні щільності потоку сонячного с випромінення, що попадає через прозору оболонку 18 на основи пустотілих пірамід 1, 2, ... 16, і підігріві зачорненого приймача 19 й теплоносія в ньому, розміщених на основі 17, при опроміненні концентратора прямими, розсіяними від хмар або відбитими, наприклад, від снігу, сонячними променями. 99 Так, при сході Сонця в літній час сонячні промені 20 попадають через прозору оболонку 18 в основному наThe principle of operation of the static solar concentrator consists in increasing the density of the flow of solar radiation that falls through the transparent shell 18 on the bases of the hollow pyramids 1, 2, ... 16, and heating the blackened receiver 19 and the coolant in it, placed on the base 17, during irradiation the concentrator by direct, scattered from clouds or reflected, for example, from snow, sunlight. 99 Thus, at sunrise in the summer, the sun's rays 20 fall through the transparent shell 18 mainly on

ГФ) основи пустотілих пірамід 8 і 9. Багаторазово відбившись від дзеркальних стінок пірамід 8 і 9 сонячні промені т 20 через зрізані вершини пірамід 8 і 9 попадають на зачорнений приймач 19, нагріваючи в ньому теплоносій.GF) the bases of the hollow pyramids 8 and 9. Having reflected many times from the mirror walls of the pyramids 8 and 9, the sun's rays t 20 through the cut tops of the pyramids 8 and 9 fall on the blackened receiver 19, heating the coolant in it.

Щільність потоку сонячного випромінення на виході кожної з пірамід 1, 2, ... 16 підвищується пропорційно відношенню площі її основи до площі її зрізаної вершини з урахуванням коефіцієнта передачі. При заході Сонця 60 сонячні промені 21 попадають через захисну прозору оболонку 18, переважно, на основи пірамід 4 і 51, багаторазово відбившись від дзеркальних поверхонь, також потрапляють на приймач 19, нагріваючи в ньому теплоносій.The solar radiation flux density at the exit of each of the pyramids 1, 2, ... 16 increases in proportion to the ratio of the area of its base to the area of its truncated top, taking into account the transmission coefficient. At sunset 60, the sun's rays 21 fall through the protective transparent shell 18, mainly on the bases of the pyramids 4 and 51, having repeatedly reflected from the mirror surfaces, they also fall on the receiver 19, heating the coolant in it.

Ранком в літній час і після полудня, при незначній хмарності на небі, розсіяне від хмар випроміненняIn the morning in the summer and in the afternoon, with little cloudiness in the sky, scattered radiation from clouds

Сонця|4| попадає практично на основи всіх пірамід 1, 2, ... 16 і, незважаючи на низьку щільність потоку 65 випромінення при цьому (З00Вт/м 2), концентратор ефективно працює за рахунок прийому енергії практично з усіх напрямків небесної сфери, куди направлені основи пірамід 1, 2, ... 16. В даному випадку при загальній площі всіх основ пірамід 1, 2, ... 16 концентратора рівною 100м2, при щільності потоку енергії З00Вт/м2, коефіцієнті корисної дії концентратора 0,3 можливо одержати на приймачі 19, щонайменше, 9О0кВт"год теплової енергії.Sun|4| falls almost on the bases of all pyramids 1, 2, ... 16 and, despite the low density of the radiation flux 65 at the same time (300W/m 2 ), the concentrator works effectively due to the reception of energy from almost all directions of the celestial sphere, where the bases of the pyramids are directed 1, 2, ... 16. In this case, with the total area of all the bases of the pyramids 1, 2, ... 16 of the concentrator equal to 100 m2, with an energy flow density of 300 W/m2, the efficiency coefficient of the concentrator of 0.3 can be obtained on the receiver 19 , at least 9O0kWh of thermal energy.

В якості дзеркальних поверхонь для створення пустотілих пірамід 1, 2, ... 16 можна використовувати металізовану плівку |5)| або, наприклад, вуглепластик |6). В якості захисної оболонки можна використовувати прозорі дахи із стекла і спеціального профілю (7). В якості зачорненого приймача 19 найбільш ефективне використання вакуумованого зачорненого приймача (8). Найбільш ефективним для північної і південної півкуль 70 Землі є сферичний концентратор стільникової конструкції(9У| з шестигранними дзеркальними зрізаними пірамідами і сферичним зачорненим приймачем (101.Metallized film can be used as mirror surfaces for creating hollow pyramids 1, 2, ... 16 |5)| or, for example, carbon fiber |6). As a protective shell, you can use transparent roofs made of glass and a special profile (7). As a blackened receiver 19, the most effective use is a vacuumed blackened receiver (8). The most effective for the northern and southern hemispheres 70 of the Earth is a spherical concentrator of cellular construction (9U| with hexagonal mirror truncated pyramids and a spherical blackened receiver (101.

Впровадження даного винаходу дозволить високоефективно використовувати альтернативне джерело енергії - Сонце при створенні екологічно чистих теплогенераторів, парогенераторів, опріснювачів, теплоелектростанцій одиничною потужністю до 1МВт. Застосування його для обігріву чи охолодження жилих і 75 промислових приміщень, підігріву води в сукупності з тепловим акумулятором можливе практично в усіх кліматичних зонах Землі, що дозволить знизити в середньому за рік витрати на ці потреби органічного палива наThe implementation of this invention will allow highly efficient use of an alternative source of energy - the Sun in the creation of environmentally friendly heat generators, steam generators, desalination plants, thermal power plants with a unit capacity of up to 1MW. Its use for heating or cooling residential and 75 industrial premises, water heating in combination with a heat accumulator is possible in almost all climatic zones of the Earth, which will allow to reduce the annual average costs for these needs of organic fuel by

ЗОбо - 5090 і зменшити викиди вуглекислого газу, а, значить, | знизити вплив парникового ефекту на зміну клімату на Землі.ZObo - 5090 and reduce emissions of carbon dioxide, which means | reduce the impact of the greenhouse effect on climate change on Earth.

Як альтернативне рішення, статичний сонячний концентратор може бути використаний для підігріву теплоносія у вакуумованих сонячних колекторах трубного типу, розміщених зі сторони зрізаних вершин дзеркальних пірамід.As an alternative solution, a static solar concentrator can be used to heat the coolant in evacuated tube-type solar collectors placed on the side of the truncated peaks of the mirror pyramids.

Література: 1. Журнал "Изобретатель и рационализатор", Мо 8, 1991г., стр.46.5). 2. Авторское свидетельство на изобретение СССР Мо 1 613 819, автор В.А.Халюткин. 5). ГаLiterature: 1. Magazine "Inventor and rationalizer", May 8, 1991, p. 46.5). 2. Author's certificate for the invention of the USSR Mo 1 613 819, author V.A. Khalyutkin. 5). Ha

З. Дж. Твайделл, А.Узйр. Возобновляемье источники знергии. Пер. с англ.--М., Знергоатомиздат.1990г.Z. J. Twydell, A. Uzyr. We renew energy sources. Trans. with English.--M., Znergoatomizdat. 1990.

С.80-82, 91-92. 5). і) 4. Ж. "Наука и жизнь", Мо 7, 1978Гг., с.53-58. БИ. 5. Ж. "Наука и жизнь", Мо 8, 1983г., с.41. "Вакуумное зеркало для солнечной електростанции". 5). б. Авторское свидетельство на изобретение СССР Мої 682 717, 5Е21М 7/22, 5028 5/12. "Способ єP. 80-82, 91-92. 5). i) 4. J. "Science and Life", Mo. 7, 1978, pp. 53-58. WOULD. 5. J. "Science and Life", Mo. 8, 1983, p. 41. "Vacuum mirror for solar power plant". 5). b. Author's certificate for the invention of the USSR My 682 717, 5E21М 7/22, 5028 5/12. "There is a way

Мзготовления рефлектора из углепластика с внісоким козффициентом зеркального отражения". 5). 7. Газета "Днепровская неделя", М48 за грудень 1998 р. Реклама фірми "Веста" (прозорі дахи). ОА. -- 8. Журнал "Изобретатель и рационализатор", Мо 11-12, 1992г. стр.1, 2. КО. -- 9. Патент України Мо 26423, 8290 99/00. 0328 33/12. "Спосіб виготовлення стільникової конструкції з композиційного термоконструкційного матеріалу та стільникова конструкція з композиційного М термоконструкційного матеріалу". ОА. со 10. Патент України Мо 44802, Е24) 2/00. -7/00. "Комбінований сонячний колектор". ОА.Mzgotovleniya reflector from carbon plastic with a contributing coefficient of specular reflection". 5). 7. Newspaper "Dneprovskaya Nedelya", M48 for December 1998. Advertisement of the company "Vesta" (transparent roofs). OA. -- 8. Magazine "Inventor and Rationalizer" , Mo. 11-12, 1992. pp. 1, 2. KO. -- 9. Patent of Ukraine Mo. 26423, 8290 99/00. 0328 33/12. "Method of manufacturing a cellular structure from a composite thermostructural material and a cellular structure from a composite M thermostructural material". OA. so 10. Patent of Ukraine Mo 44802, E24) 2/00. -7/00. "Combined solar collector". OA.

Claims

The formula of the invention is a static solar concentrator, which includes narrowing surfaces, a receiver of optical radiation, a protective shield. a transparent shell, which is distinguished by the fact that it consists of M truncated hollow M-angled pyramids of an arbitrary configuration, mostly symmetrical in shape, created by tapering mirror surfaces, where M»1, M 2 3, placed together with the receiver inside a transparent protective shell, at therefore, pyramids with their bases are distributed, as a rule, evenly inside a solid angle directed towards the celestial sphere, mainly in the direction of the ecliptic of the Sun, and the cut tops M of hollow pyramids are directed to the receiver of optical radiation. - - 50 (42)

F) name)

60 b5