КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G02B5/00 

Устройство может быть использовано для разогрева теплоносителя путем концентрации энергии солнечного излучения.

Известны устройства, содержащие отражающие поверхности или линзы для фокусирования энергии солнечного излучения.

К недостаткам таких устройств относится влияние на количество фокусируемой энергии ориентации освещаемой поверхности конденсатора относительно направления на Солнце. Необходимость непрерывного слежения за движением Солнца приводит к усложнению конструкции устройства.

Известно техническое решение (патент США N 4830677), которое включает светопропускающие панели, образующие многогранник, причем каждая панель состоит из прозрачного защитного слоя и слоя, обеспечивающего концентрацию солнечного излучения внутри многогранника.

Изобретение позволяет ослабить влияние на количество концентрируемой энергии ориентации поверхности концентратора относительно направления на Солнце.

Технический результат достигается тем, что сотовый слой и склеенные со слоем прозрачные покрывные листы, согласно изобретению, используются в виде панелей, сборка которых образует приближающуюся к сферической оболочку правильного многогранника, внутренние поверхности ячеек сотовых слоев обладают высокой отражающей способностью, отношение размера ячейки к толщине панели обеспечивает направленность выходящего из панели излучения, благодаря чему ячейки выполняют роль световодов.

В сравнении с прототипом предлагаемое устройство имеет отличительный признак: приближающуюся к сферической оболочку правильного многогранника из панелей с ориентированными к центру световодами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема концентратора солнечного излучения. Концентратор выполнен в виде сферической оболочки 1, состоящей из световодов 2, ориентированных к центру сферы. Пунктиром показаны окна 3 в оболочке, нагреватель 4 и основание 5, к которому крепится оболочка 1. Энергия освещающего нагреватель светового потока практически не зависит от направления падения солнечных лучей на оболочку концентратора излучения. Величины стрелок внутри оболочки характеризуют плотность потока излучения, освещающего нагреватель 4.

Изготовление сферической оболочки со световодами, ориентированными к центру, сложнее, чем оболочки в виде правильного многогранника со световодами каждой грани, ориентированными перпендикулярно ее плоскости. На фиг. 2 показаны части оболочек многогранников с 80 и 320 треугольными гранями. Оболочки построены на основе икосаэдра с вершинами, удаленными на то же расстояние R, что и для икосаэдра. Ребра икосаэдра показаны пунктиром, ребра 6 относятся к 80-граннику, ребра 7 - к 320-граннику. Длины b₈₀ и b₃₂₀ ребер 6 и 7 связаны с длиной b₂₀ ребра икосаэдра зависимостями b₈₀ = 0,51978b₂₀, b₃₂₀ = 0,2624b₂₀. Площади поверхностей многогранников составляют S₂₀ = 9,5777R²; S₈₀ = 10,347R², S₃₂₀ = 10,548R², где R = 0,95104b₂₀.

На фиг. 3 изображена панель треугольной формы, сборка панелей образует оболочку концентратора солнечного излучения. Сотовый слой 1 панели ограничен с боковых сторон жесткими стенками 2, а сверху и снизу - прозрачными покрывными слоями 3 и 4. Толщина l панели может быть определена из соотношения К = при такой величине К, которая обеспечивает достаточную направленность выходящего излучения сотового канала с характерным размером d. Приняв за параметр d диаметр круга, площадь которого равна площади шестигранника сотовой ячейки со стороной а, получаем зависимость l = 1,82 . При числе n ячеек на площади панели величины l₈₀ и l₃₂₀ можно определить из приближенных зависимостей l, l₃₂₀ . Масса панели оценивается из выражений:
M₈₀=R0,317 + 0,259ρ_пδ_п+2,46 ;
M₃₂₀=R0,0793 + 0,066ρ_пδ_п+0,581 , где индексы "г", "п", "б", характеризуют плотность ρ материала и толщину δ соответственно грани сотовой ячейки, покрывного слоя и боковой стенки панели.

Устройство работает следующим образом.

При освещении оболочки концентратора потоком солнечной радиации падающее на поверхность излучение направляется сотовыми световодами к центру концентратора. Чем больше поверхность оболочки приближается к сферической форме, тем точнее фокусировка потока энергии. С достаточным приближением можно считать, что независимо от ориентации Солнца в ясный день оболочкой концентратора воспринимается мощность N = 1,4 π R²; [N] = кВт, [R] = м. Основная доля этой мощности будет воспринята нагревателем в центре концентратора.

Технико-экономический эффект устройства достигается простотой изготовления и сборки, а также легкостью конструкции. Это открывает широкие возможности массового применения концентраторов такого вида как в промышленной теплоэнергетике, так и в быту не только в южных районах и средней полосе, но и в труднодоступных местах высоких широт в летнее время.

Для концентраторов бытового применения с радиусами R₁ = 0,25 м, R₂= 0,5 м, R₃ = =1 м, передающих нагревателям энергию N₁ = 0,275 кВт, N₂ = 1,1 кВт, N₃ = 4,4 кВт, массы могут ориентировочно составлять М₁ = 10-100 кг, М₂ = 50-300 мг, М₃ = =200-1500 кг. Габариты и массы концентраторов бытового применения позволяют легко изменять места их установки.

Для концентраторов промышленного применения масса оболочки дополняется массой каркаса. Однако при постоянном месте установки концентратора его масса и габариты не имеют определяющего значения.

Для концентраторов промышленного применения с радиусами R₄ = 2,5 м, R₅ = 5 м, R₆ = 10 м, передающих нагревателям энергию N₄ = 27,5 кВт, N₅ = 110 кВт, N₆ = 440 кВт, массы оболочек могут равняться М₄ = 10³ - 10⁴ кг, М₅ = 4 ^. 10³ - 3 ^. 10⁴ кг, М₆ = 2 ^. 10⁴ - 1,5 ^. 10⁵ кг.

Приведенные характеристики концентраторов при простоте их эксплуатации отражают существенное преимущество таких устройств по сравнению с устройствами, использующими для фокусировки излучения зеркальные поверхности или линзы.

Использование: нагрев теплоносителя путем концентрации энергии солнечного излучения. Сущность изобретения: концентратор состоит из светопропускающих панелей, образующих правильный многогранник, причем каждая панель содержит прозрачный защитный слой и слой из полых ячеек со стенками, отражающими солнечное излучение. Каждая панель направляет падающее на нее солнечное излучение в центральную внутреннюю область многогранника. 3 ил.

КОНЦЕНТРАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий светопропускающие панели, образующие многогранник, причем каждая панель состоит из прозрачного защитного слоя и слоя, обеспечивающего концентрацию солнечного излучения внутри многогранника, отличающийся тем, что многогранник выполнен правильным, а слой панели, обеспечивающий концентрацию солнечного излучения внутри многогранника, состоит из полых ячеек со стенками, отражающими солнечное излучение.