СОЛНЕЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ КОЛЛЕКТОР Российский патент 1994 года по МПК F24J2/48 

Изобретение относится к гелиоэнергетике и может быть использовано в солнечных установках для преобразования солнечной энергии в механическую и электрическую энергию, в частности для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии.

Известен параболоцилиндрический концентратор, содержащий отражатель солнечной энергии и теплоприемник, включающий наружную стеклянную оболочку и внутреннюю металлическую трубку с селективным покрытием, заполненную теплоносителем.

Указанный концентратор не обеспечивает получение высоких температур из-за отсутствия вакуумированного теплоизолирующего пространства между трубками. По указанной причине селективное покрытие не имеет хорошей защиты и требует частого обновления или полного восстановления.

Также известен параболоцилиндрический концентратор модульной двухконтурной солнечной электростанции (СЭС), содержащий отражатель солнечной энергии и вакуумированный теплоприемник, включающий наружную стеклянную оболочку с размещенной в ней металлической трубкой с селективным покрытием, заполненной высокотемпературным органическим теплоносителем.

Нанесение селективного "черного" покрытия требует применения особых дорогостоящих методов, нанесенное покрытие оказывается недолговечным, а вакуумное пространство между трубками затрудняет возможность возобновления или полной замены селективного покрытия.

Кроме того, селективное покрытие внутренней трубки обеспечивает лишь односторонний подвод сконцентрированной солнечной энергии к теплоносителю.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является солнечный тепловой коллектор, содержащий плоский концентратор солнечной энергии и вакуумированный теплоприемник, включающий наружную прозрачную трубку с размещенной в ней внутренней прозрачной трубкой, заполненной теплоносителем, содержащим поглотитель солнечной энергии.

В указанном техническом решении в качестве теплоносителя используют этиленгликоль, а в качестве поглотителя - чернила.

Однако работоспособность указанной пары теплоноситель-поглотитель находится в пределах 100-120^оС, что снижает эффективность работы коллектора и ограничивает область ее применения.

Задачей изобретения является повышение КПД солнечного коллектора за счет обеспечения нагрева теплоносителя до 400^оС и выше.

Поставленная задача решается предлагаемым солнечным тепловым коллектором, содержащим концентратор с расположенным на его фокусирующей оси солнечной энергии вакуумированным теплообменником, включающим стеклянную оболочку с размещенной в ней прозрачной трубкой, заполненной теплоносителем, поглотитель солнечной энергии, причем отличительной особенностью коллектора является использование высокотемпературной кремнеорганической жидкости в качестве теплоносителя, а в качестве поглотителя - дифталоцианин редкоземельного элемента, который должен быть растворим в кремнеорганической жидкости и обладать спектральной стабильностью.

Указанная совокупность признаков является достаточной для получения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

В предпочтительном варианте целесообразно в качестве высокотемпературной кремнеорганической жидкости использовать олигодиметилсилоксан, в качестве поглотителя - дифталоцианин тербия, или дифталоцианин неодима, или дифталоцианин лютеция.

Причем с целью обеспечения полной растворимости указанного поглотителя в олигодиметилсилоксане его концентрация в последнем 5˙10^-6-2˙10^-4 5·10^-6÷2·10^-4. Кроме того, для обеспечения высокой концентрации солнечных лучей целесообразно концентратор солнечной энергии выполнять параболоцилиндрическим.

В качестве теплоносителя в изобретении предлагается использовать олигодиметилсилоксан, представляющий высокотемпературную кремнеорганическую жидкость, а в качестве поглотителя - высокотемпературный краситель с длиной волны поглощения от 300 до 1200 нм и термостабильностью до 450^оС. Таким требованиям к материалу поглотителя отвечают растворы дифталоцианина редкоземельных элементов, такие как дифталоцианин тербия, или дифталоцианин неодима, или дифталоцианин лютеция. Причем концентрация выбранного красителя в теплоносителе 5˙10^-6-2˙10^-4 г˙моль/л.

Выбранные материалы теплоносителя и поглотителя и соблюдение концентрации последних в теплоносителе обеспечивают возможность нагрева теплоносителя до 450^оС, поскольку за счет сочетания свойств материалов рассматриваемой пары (теплоноситель-поглотитель) передача тепла поглотителя теплоносителю осуществляется во всем объеме.

Предлагаемая система (теплоноситель - олигодиметилсилоксан и поглотитель - дифталоцианин редкоземельного элемента) представляет собой раствор, что и обеспечивает поглощение солнечной энергии во всем объеме в отличие от известных решений, где поглотитель находится в теплоносителе в диспергированном состоянии.

Выбранная концентрация поглотителя в теплоносителе 5˙10^-6-2˙10^-4 г˙моль/л обеспечивает растворимость поглотителя в теплоносителе и максимальную интенсивность поглощения солнечной энергии. При изменении концентрации ниже нижнего предельного значения не будет осуществляться полного поглощения солнечной энергии, при изменении концентрации выше возможной не достигается полная растворимость красителя.

На чертеже схематично изображен солнечный тепловой коллектор.

Коллектор включает параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии 1, вакуумированный теплоприемник 2, включающий наружную прозрачную оболочку 3 и размещенную в ней прозрачную трубку 4, заполненную теплоносителем 5 с растворенным в нем поглотителем в виде красителя 6.

Устройство работает следующим образом.

Солнечные лучи, попадающие на параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, концентрируются им на вакуумированный теплообменник 2. Благодаря наличию наружной прозрачной оболочки они беспрепятственно попадают через вакуумированное пространство на внутреннюю прозрачную трубку 4, а через нее - на находящийся в ней теплоноситель 5. Благодаря равномерно растворенному и распределенному поглотителю 6 тепловая энергия поглощается и по всему объему передается теплоносителю 5.

В табл. 1 и 2 представлены результаты испытаний предложенной системы теплоноситель-поглотитель на спектральную и термическую стабильность элементов системы.

Определение термической стабильности олигодиметилсилоксана осуществляют следующим образом.

Реактор объемом 20 мл, выполненный из стали 12Х18Н101, перед заправкой его продуктом в количестве 10-12 мл вакуумируют до 10^-2 мм рт. ст. при 300-400^оС в течение 10 мин с последующим охлаждением. После заливки в реактор продукта также проводят вакуумирование при комнатной температуре в течение 20 мин с целью удаления из продукта растворенного воздуха. Затем реактор помещают в термостат, нагретый до заданной температуры. Во время опыта ведут наблюдение за давлением в реакторе. О термической стабильности судят по изменению вязкости после термостатирования.

Результаты испытаний термической стабильности представлены в табл. 1.

Определение спектральной стабильности растворов дифталоцианинов лютеция, неодима, тербия проводят следующим образом. Первоначально определяют спектр пропускания растворов на спектрофотометре СФ-16 для различных концентраций, затем реактор с жидкостью термостатируют при 20^оС в течение 20 ч и опять определяют спектры пропускания растворов. О спектральной стабильности судят по уменьшению оптической плотности раствора. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Как видно из представленных данных, олигодиметилсилоксан обладает термической стабильностью, а растворы в нем дифталоцианинов лютеция, неодима, тербия имеют достаточную спектральную стабильность.

Использование в качестве теплоносителя олигодиметилсилоксана, являющегося высокотемпературной жидкостью, обеспечивающей термическую стабильность раствора, использование в качестве поглотителя дифталоцианинов редкоземельных элементов, обеспечивающих передачу тепла теплоносителю во всем объеме, выбор концентрации поглотителя в теплоносителе, обеспечивающий максимальную интенсивность поглощения энергии, и использование концентратора параболоцилиндрической формы для обеспечения высокой концентрации солнечных лучей позволяет решить поставленную задачу.

Предлагаемый коллектор является одним из основных элементов солнечных модульных энергетических установок.

От свойств, используемых в коллекторах теплоносителей, зависит область их применения.

Возможность работать при 400-450^оС позволяет использовать предлагаемый коллектор в солнечных электростанциях с концентраторами параболоцилиндрической формы (ПЦК).

Использование: в гелиоэнергетике, в солнечных установках для преобразования солнечной энергии в механическую и электрическую энергию. Сущность изобретения: коллектор содержит концентратор 1 солнечной энергии с расположенными на его фокусирующей оси вакуумированным теплоприемником 2, включающим стеклянную оболочку 3 с размещенной в ней прозрачной трубкой 4, заполненной теплоносителем 5, содержащим поглотитель 6 солнечной энергии. В качестве теплоносителя использована высокотемпературная кремнеорганическая жидкость, а в качестве поглотителя - дифталоцианин редкоземельного элемента, который должен быть растворим в кремнеорганической жидкости и обладать спектральной стабильностью. В предпочтительном варианте солнечный коллектор содержит в качестве кремнеорганической жидкости олигодиметилсилоксан, а в качестве поглотителя - дифталоцианин тербия, или дифталоцианин лютеция. В предпочтительном варианте концентратор солнечной энергии должен иметь параболоцилиндрическую форму. 4 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. СОЛНЕЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ КОЛЛЕКТОР, содержащий расположенный на фокусирующей оси концентратора солнечной энергии вакуумированный теплоприемник, выполненный в виде стеклянной оболочки с размещенной в ней прозрачной трубкой, заполненной жидким органическим теплоносителем с растворенным в нем поглотителем, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют высокотемпературную кремнеорганическую жидкость, а в качестве поглотителя - дифталоциамин редкоземельного элемента. 2. Коллектор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кремнеорганической жидкости используют олигодиметилсилоксан. 3. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что в качестве редкоземельного элемента используют тербий, неодим или лютеций. 4. Коллектор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что концентрация поглотителя в теплоносителе составляет 5 · 10^-6 - 2 · 10^-4 г.моль/л. 5. Коллектор по п.1, отличающийся тем, что концентратор выполнен параболоцилиндрическим.