СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F24J2/18 

Изобретение относится к области создания солнечных энергетических установок с концентраторами солнечного излучения.

Известны солнечные установки с концентрирующими системами, выполненными по схеме Кассегрена, в которых первичным концентратором является параболоид, вторичным отражателем является софокусный гиперболоид (один фокус параболоида и гиперболоида совмещены), а во втором фокусе гиперболоида установлен приемник излучения для нагрева теплоносителя.

Недостатком этого устройства является сложность пространственной конструкции системы Кассегрена, когда речь идет о создании установок больших мощностей, так как изготовление концентратора и отражателя больших размеров (десятки метров в диаметре) дорогая и сложная техническая задача в виду большой парусности системы.

Известна солнечная установка, содержащая ориентируемую на солнце концентрирующую солнечное излучение систему, имеющую первичные концентраторы, фокусирующие излучение в точечные фокусы, и вторичные отражатели, имеющие общие фокусы с первичными концентраторами, выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии и направляющие излучение на общий приемник.

Недостатком этой установки является многократное излучение на элипсоидном вторичном отражателе и дополнительном зеркале и необходимость дополнительного слежения плоским зеркалом.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, уменьшение энергетических потерь, увеличение КПД и упрощение конструкции установки при увеличении мощности.

Для этого в солнечной установке, содержащей приемник излучения и ориентируемую на солнце концентрирующую солнечное излучение систему, имеющую первичные концентраторы, фокусирующие излучение в точечные фокусы на фокальной плоскости, и вторичные отражатели, имеющие общий фокус с первичными концентраторами и выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии, направленных на приемники излучения, оси симметрии вторичных отражателей направлены на общий приемник излучения для группы концентраторов или для всей системы и первичные концентраторы выполнены с возможностью синхронного поворота вокруг своих фокусов. Общий приемник излучения может быть расположен между первичными концентраторами и вторичными отражателями. Общий приемник излучения может быть расположен за фокальной плоскостью первичных концентраторов. Первичный концентратор может быть выполнен в виде линзы Френеля. Вторичные отражатели могут быть выполнены в виде параболоидов или гиперболоидов.

Направление осей симметрии вторичных отражателей на общий приемник излучения для группы первичных концентраторов или для всей концентрирующей системы позволяет сократить число приемников до одной штуки на всю установку, что уменьшает потери на коммутацию отдельных приемников между собой. Возможность синхронного поворота первичных концентраторов вокруг своих фокусов позволяет упростить конструкцию всей установки, так как при этом сама установка остается неподвижной, а ориентацию на солнце осуществляют только поворотом первичных концентраторов, имеющих меньшую массу, чем вся концентрирующая система. Расположение общих приемников излучения между первичными концентраторами и вторичными отражателями увеличивает компактность установки. Расположение общего приемника излучения за фокальной плоскостью позволяет увеличить мощность установки за счет использования излучения от большого числа первичных концентраторов.

Использование в качестве первичных концентраторов линз Френеля позволяет увеличить ресурс работы установки, так как в линзах отсутствует отражающий слой, который с течением времени подвержен коррозии, а также удешевить стоимость установки, так как производство линз Френеля дешевле, чем изготовление параболических отражателей и легко поддается автоматизации процесса.

Использование в качестве вторичных отражателей параболоидов позволяет получить на приемнике излучения равномерную освещенность, что положительно сказывается на работе таких преобразователей, как фотоэлементы.

На фиг. 1 изображена схема поперечного сечения установки с концентрирующей системой, выполненной в виде параболоидов, вторичные отражатели выполнены в виде гиперболоидов, оси симметрии которых направлены на общие приемники излучения, установленные между первичными концентраторами и вторичными отражателями; на фиг. 2 в качестве первичных концентраторов использованы линзы Френеля, а вторичные отражатели выполнены в виде параболоидов; на фиг. 3 показано расположение приемника излучения за фокальной плоскостью первичных концентраторов; на фиг. 4 расположение общего приемника за фокальной плоскостью для линз Френеля; на фиг. 5 продемонстрирована возможность ориентации на солнце первичных отражателей в виде параболоидов; на фиг. 6 возможность ориентации на солнце линз Френеля.

Кроме того, на чертежах приведены: высота оптической системы Н, габаритный размер L, определяемый как расстояние от приемника 1, углы α_i наклона осей симметрии вторичных отражателей к фокальной плоскости. Пунктирной линией приведены недостающие части вторичных зеркал.

Солнечная установка (см. фиг. 1), содержит приемники излучения 1 и ориентирующую на солнце концентрирующую систему, имеющую первичные концентраторы 2, фокусирующие излучение в точечные фокусы F₁, F₂,F₆на фокальной плоскости 3, и вторичные отражатели 4, имеющие общие фокусы F₁, F₂,F₆, с первичными концентраторами 1 и выполненные в виде тел вращения вокруг их соей симметрии 5, направленных на приемники излучения 1. При этом оси симметрии 5 вторичных отражателей 4 направлены на общий приемник излучения 1 для группы концентраторов 2 или для всей системы, первичные концентраторы 1 выполнены с возможностью поворота вокруг своих фокусов F₁, F₂,F₆ (см. фиг. 5 и 6).

Общий приемник 1 может быть расположен между первичными концентраторами 2 и вторичными отражателями 4 (см. фиг. 1-3).

Общий приемник 1 может быть расположен за фокальной плоскостью 3 первичных концентраторов 2 (см. фиг. 3-5).

Первичные концентраторы 2 могут быть выполнены в виде линз Френеля (см. фиг. 2, 4, 6).

Вторичные отражатели 4 могут быть выполненными в виде параболоидов (см. фиг. 2, 3, 5, 6).

Работает установка следующим образом.

Солнечное излучение падает на ориентируемые на солнце первичные концентраторы 2 (см. фиг. 1), выполненные в виде параболоидов, отражается по направлению к фокусам F₁, F₂,F₆ расположенным в фокальной плоскости 3. На пути к фокусам F_i излучение попадает на вторичные отражатели 4, выполненные в виде гиперболоидов (см. фиг. 1) или параболоидов (см. фиг. 2). Вторичные отражатели 4 имеют общие фокусы F₁, F₂,F₆ с первичными концентраторами 2. В силу геометрических законов для образующих этих отражателей (гиперболы или параболы) солнечные излучение отражается от них следующим образом: для гипербол в виде сходящихся световых потоков во вторые фокусы F^′либо в виде параллельного светового потока от парабол. Так как отраженный от вторичных отражателей 4 поток всегда параллелен в силу геометрических свойств осям симметрии 5 (главные оптические оси гиперболы или параболы), которые в свою очередь направлены на приемники излучения 1, то оптическое излучение от вторичных отражателей направляется на общий приемник 1 для группы отражателей (F₁, F₂, F₃) и на другой приемник 1 для второй группы отражателей (F₄, F₅, F₆). При этом оси симметрии 5 могут иметь разные углы наклона α₁, α₂, α₃ к фокальной плоскости 3.

Если оптическая система имеет один приемник излучения 1, то все солнечное излучение, приходящее на все первичные концентраторы 2, попадает на него (см. фиг. 2). В качестве первичных концентраторов 2 могут быть использованы линзы Френеля (см. фиг. 2, 4, 6).

Для увеличения компактности установки приемник излучения 1 может быть расположен между первичными концентраторами 2 и вторичными отражателями 4 (см. фиг. 2, 3, 5). В этом случае углы α_i ограничены габаритным размером L группы первичных концентраторов 2 и размером Н, определяющими высоту расположения фокальной плоскости, а также взаимным затенением вторичными отражателями.

В том случае, когда приемник излучения 1 расположен за пределами фокальной плоскости 3, ограничения на углы α_i значительно меньше, что позволяет увеличить размер L, а следовательно, увеличить мощность установки и концентрацию излучения на приемнике 1.

Первичные концентраторы 2 могут иметь возможность синхронного поворота вокруг своих фокусов F₁, F₂,F₆ для ориентации на солнце. В этом случае приемники излучения 1 и вторичные отражатели 4 остаются неподвижными, как и вся установка в целом, а ориентация на солнце первичных концентраторов 2 в виде параболоидов (см. фиг. 5) или в виде линз Френеля (см. фиг. 6) осуществляется только синхронным поворотом концентраторов 2 вокруг каждого своего фокуса F₁, F₂,F₆.

Технико-экономические преимущества прилагаемого технического решения заключаются в следующем: уменьшаются пропорционально габаритному размеру L длина коммутации отдельных приемников для вывода энергии из установки. Например, для установки тепловой мощностью 1 МВт общая площадь первичных концентраторов должна составлять (при солнечной радиации 1000 Вт/м², коэффициенте отражения концентраторов и отражателей 0,85) приблизительно 1384 м² (квадрат со стороны L 37 м).

При выполнении установки по схеме прототипа, когда каждый первичный концентратор, например, в форме квадрата 1 м х 1 м имеет свой приемник излучения, общее число приемников составит 1384 шт. а длина коммутации в лучшем случае (все приемники соединены последовательно) 1722 м.

В случае выполнения установки по схеме на фиг. 3 или 4 длина кабелей или теплопровода для вывода энергии из установки в худшем случае составит 37 м.

Ориентация концентрирующей системы тепловой мощностью 1 МВт и площадью 1384 м² (37 м х 37 м) в наземных условиях эксплуатации будет представлять значительные трудности, так как потребует реализации громоздкой и прочной опорно-поворотной конструкции.

Выполнение установки по фиг. 5 или 6 позволяет при неподвижной установке осуществлять ориентацию только первичных концентраторов, имеющих значительно меньшую массу, чем вся установка, уменьшить потребную мощность на ориентацию, увеличить мощность самой установки.

Использование: в солнечных энергетических установках с концентраторами солнечного излучения. Сущность изобретения: в солнечной установке, содержащей приемник излучения и ориентируемую на солнце концентрирующую солнечное излучение систему, имеющую первичные концентраторы, фокусирующие излучение в точные фокусы на фокальной плоскости, и вторичные отражатели 4, имеющие общий фокус с первичными концентраторами и выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии, направленных на приемник излучения, первичные концентраторы выполнены с возможностью синхронного поворота вокруг своих фокусов. Общий приемник излучения может быть расположен между концентраторами и отражателями или может быть вынесен за пределы фокальной плоскости. В качестве концентраторов могут быть использованы линзы Френеля, а в качестве отражателей параболоиды или гиперболоиды. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА, содержащая ориентируемую на солнце концентрирующую солнечное излучение систему, имеющую первичные концентраторы, фокусирующие излучение в точечные фокусы, и вторичные отражатели, имеющие общие фокусы с первичными концентраторами, выполненные в виде тел вращения вокруг их осей симметрии и направляющие излучение на общей приемник, отличающаяся тем, что первичные концентраторы выполнены с возможностью синхронного поворота вокруг своих фокусов, а вторичные отражатели установлены неподвижно, выполнены в виде параболоидов или гиперболоидов, оси симметрии которых направлены на приемник. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что общий приемник расположен между первичными концентраторами и вторичными отражателями. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первичные концентраторы выполнены в виде линз Френеля.