СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР Российский патент 1994 года по МПК F24J2/10 

Настоящее изобретение относится к концентраторам солнечной энергии как самостоятельных установок или частей зданий.

Известны различные коллекторы солнечной энергии в которых используются отражатели для концентрации отраженной энергии в точку или в зону, где она может быть поглощена приемником для преобразования в тепловую или электрическую энергию.

Известен концентратор в виде гиперболического параболоида с прямолинейным приемником, причем большое количество отраженной солнечной энергии рассеивается до того, как она достигает приемника. В связи с этим количество солнечной энергии, поглощаемой единицей поверхности приемника, или эффективность приемника, и в целом коллектора, низкая.

Известен коллектор с неподвижным цилиндрическим отражателем и подвижным прямолинейным приемником, закрепленным на крыше. Низкая эффективность такого коллектора связана с тем, что значительная часть утреннего или вечернего света, отраженного от концентратора, расположена на восточной или западной части приемника. Другая проблема связана с тем, что данная конструкция отражателя не имеет мембранного сопротивления, которое может быть обеспечено неразвертываемой поверхностью и требует дополнительных мер по обеспечению несущей способности конструкции.

Из известных коллекторов солнечной энергии наиболее близким по техническому решению является фокусирующий коллектор солнечной энергии, содержащий неподвижный отражатель, состоящий из двух секций двоякой кривизны и прямолинейного приемника, перемещающегося в одной плоскости.

Секция двоякой кривизны образована движением одной окружности (образующей) вдоль другой окружности (направляющей). Во всех положениях образующая окружность остается параллельна сама себе. Эту поверхность можно представить как состоящую из двух семейств окружностей. Предлагаемое в изобретении формообразование поверхности отражателя не обеспечивает отражение солнечных лучей в прямолинейную фокальную зону. Неверным является также метод, используемый при исследовании отражающих свойств поверхности отражателя, а именно, отражение солнечных лучей в точке отражающей поверхности нельзя рассматривать в двух плоских сечениях отдельно, проходящих через эту точку, точный результат может быть получен исследованием пространственной картины отражения с использованием нормали в точке отражения и плоскости, в которой находятся нормаль, падающий и отраженный лучи.

Целью изобретения является повышение степени концентрации солнечных лучей за счет формообразования отражателя при заданном прямолинейном приемнике и выбор траектории движения приемника, соответствующей траектории движения фокальной зоны при движении солнца по небосклону.

Поставленная цель достигается тем, что форма концентратора выполнена в виде каналовой поверхности с учетом прямолинейной формы приемника, а движение приемника повторяет движение фокальной линии и является вращательной вокруг оси, расположенной в направлении север - юг. По сравнению с концентратором, предложенным в прототипе, достигается большая степень концентрации при одинаковой полезной площади отражателя за счет меньшей длины приемника.

На фиг. 1 изображена аксонометрия конструктивной схемы коллектора солнечной энергии; на фиг.2 - картины отражения солнечных лучей от поверхности концентратора; на фиг.3 - поверхность отражателя.

Солнечный коллектор содержит неподвижный отражатель 1 в виде каналовой поверхности. Осью каналовой поверхности является плоская кривая q, плоскость которой вертикальна и расположена в направлении север - юг. При этом, нормаль n к поверхности отражателя в центральной точке расположена в направлении солнечных лучей в полдень весеннего и осеннего равноденствия. Приемник 2 может вращаться вокруг оси 3, расположенной в направлении север-юг и перпендикулярной нормали n. Приемник повторяет форму фокальной линии и является прямолинейным.

При формообразовании отражателя была поставлена задача получить отражающую поверхность (см. фиг.3) по заданной прямолинейной фокальной линии, причем отражающая поверхность должна быть двоякой кривизны.

Рассмотрим вывод уравнения отражающей поверхности.

В начале выведем уравнение плоской кривой q центров образующих сфер каналовой поверхности при условии, что задана очерковая линия ρ в виде окружности
X_p² + Y_p² = R², (1) фокальная линия в виде прямой
Y_f = R + b, (2) и направление падающих лучей, параллельное оси Y
X = X_f (3) а также, учитывая то, что нормаль к очерковой линии (1) в точке P является радиусом образующей сферы, запишем уравнение нормалей к окружности (1)
y = x (4)
Из условия равенства расстояний N_iР_i и N_iQ_i имеем
(X_f-X_p)² + (Y_f-Y_p)² = (X_f-X)² + (Y_f-Y)² (5)
Подставляя в уравнение (5) уравнения (1), (2), (3), (4) и выполняя преобразования, получим уравнение кривой q центров образующих сфер каналовой поверхности
F_q(X₁Y) = 0 или
4(X²+Y(R+b))² R² -(X²+Y²) (X²+
+2Y(R+b)-Y² + R²)² = 0 (6)
Для аналитического описания поверхности канала запишем уравнение семейства образующих сфер
ли
(7) где , , - текущие координаты образующей сферы с переменным радиусом; X, Y - текущие координаты кривой центров сфер, связанных зависимостью (6).

Радиус сферы r равен расстоянию P_i Q_i
r = (8) и есть величина переменная.

С учетом (7) и (8) получаем
²-2x+²- 2y+²- x2p

+2x_px - y2p+ 2y_py=0
(9)
Подставляя уравнения (1) и (4) в уравнение (9), получаем уравнение семейства образующих сфер, описывающих каналовую поверхность
(²-2x+²-2y+z²-R²)²+ 1+ (x²+y²)²=0
(10)
При движении солнца в течении дня приемник перемещается вращательно вокруг оси, расположенной в направлении север-юг. Неподвижный отражатель может быть достаточно большим и выполнен в виде бетонной отливки в форму или в виде монолита в опалубке с последующим покрытием внутренней поверхности алюминиевой фольгой или напылением. Детали опалубки выполняются в виде дуг окружностей переменного радиуса. Форма и положение этих окружностей изображены на фиг.3.

Эффективность предлагаемого солнечного коллектора по сравнению с прототипом обеспечивается тем, что
- при заданной прямолинейной форме приемника форма отражателя конструируется с учетом прямолинейной фокальной зоны, в которой находится прямолинейный приемник;
- методика формообразователя поверхности отражателя основывается на том положении, что нормаль к поверхности отражателя в точке, падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости;
- траектория движения приемника повторяет траекторию движения фокальной прямой линии и является вращательным движением оси приемника вокруг прямой, проходящей через центр окружности горла и расположенной в направлении север-юг;
- предложенная методика позволяет варьировать форму отражающей поверхности в зависимости от формы фокальной линии. Другими словами, в зависимости от формы приемника конструируется форма отражателя.

Использование: при создании фокусирующих солнечных коллекторов с подвижным фокусом. Сущность изобретения: форма отражателя выполнена в виде каналовой поверхности, которая описывается уравнением семейства образующих сфер, задающих поверхность отражателя. Эффективность коллектора обеспечивается повышением степени концентрации солнечных лучей за счет формообразования отражателя при заданном прямолинейном приемнике и выборе траектории движения приемника, соответствующей траектории движения фокальной линии при движении солнца по небосклону. Траектория перемещения фокальной линии и приемника имеет форму участка цилиндра, ось которого расположена в направлении север - юг и проходит через центр средней сферы. 3 ил.

СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР, содержащий неподвижный отражатель с перемещаемой фокальной линией и прямолинейный приемник, установленный вдоль последней с возможностью перемещения по той же траектории и снабженный приводом с системой управления, отличающийся тем, что отражатель имеет каналовую поверхность, образованную семейством образующих сфер, описываемым следующим уравнением:
(²-2x+²-2y+z²-R²)²+ 1+ (x²+y²)²=0,
где , , - текущие координаты образующей сферы;
х, y - текущие координаты кривой центров сфер, связанных уравнением
4[x²+ y(R + b)]²R²-(x²+ y²) ×
× (x²+ 2y(R + b) - y²+ R²)² = 0 ;
R - радиус базовой очерковой линии;
b - параметр полярной оси приемника,
а траектория перемещения фокальной линии и приемника имеет форму участка цилиндра, ось которого расположена в направлении север - юг и проходит через центр средней сферы.