ГЕЛИОУСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК F24J2/06 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к гелиоустановкам, содержащим модульные концентрирующие системы солнечного излучения переменной геометрии и предназначенным для нагрева теплоносителя.

В настоящее время в энергетической программе России все большее место занимает использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Особое место среди них по своей доступности и неисчерпаемости занимает солнечная энергия, являющаяся также одним из наиболее экологически чистых источников энергии.

Однако известные в настоящее время гелиоустановки, содержащие модульные фоклины переменной геометрии, имеют сложную систему управления рельефом фоклинов при слежении за солнцем и препятствует освещению ниже расположенных участков при установке гелиоустановки на высоте.

Известна установка, содержащая расположенные на основании фоклины с поворотными при помощи тяг стенками, снабженными на нижних кромках шарнирами и установленные в выходных отверстиях фоклинов приемники излучения (авт. св. СССР N 1071894, кл. F 24 J 2/10, 1984).

Однако в известной гелиоустановке управление геометрией фоклинов при слежении за солнцем значительно усложнено наличием громоздких тяг, управляющих одновременно только одной из сторон фоклинов и требующих значительных механических усилий для приведения таких тяг в действие. Кроме этого, при установке гелиоустановки на высоте (для экономии места) происходит затемнение участка под гелиоустановкой, например на прозрачной крыше жилого помещения, теплицы, что, в свою очередь, требует дополнительного расхода электроэнергии на освещение затемняемого помещения, либо препятствует росту растений в теплице при их затемнении. Приемники излучения являются недостаточно эффективными из-за отсутствия теплоизолирующего покрытия.

Наиболее близким технологическим решением (прототипом) является гелиоустановка, содержащая расположенные на ползунах, установленных на направляющих, фоклины с поворотными при помощи тяг стенками, верхние кромки которых соседних фоклинов шарнирно связаны между собой, а нижние кромки шарнирно связаны с соответствующими ползунами, установленные внутри фоклинов приемники излучения, гидравлически подключенные к ним гибкие трубопроводы для теплоносителя, при этом ползуны одного из фоклинов зафиксированы на направляющих, а тяги подсоединены к ползунам с образованием параллелограммного механизма (авт. св. СССР N 1451474, кл. F 24 J 2/10, 1989).

Однако в известной гелиоустановке управление геометрией фоклинов при слежении за солнцем значительно усложнено наличием тяги в виде громоздкого параллелограммного механизма, требующего значительного расхода электроэнергии и наличия задатчика для приведения его в действие. Кроме этого, при установке гелиоустановки на высоте (для экономии места) происходит затемнение участка под гелиоустановкой, например на прозрачной крыше жилого дома, теплицы, что, в свою очередь, требует либо дополнительного расхода электроэнергии на освещение затемняемого помещения, либо препятствует росту растений в теплице при их затемнении. Приемники излучения являются недостаточно эффективными из-за отсутствия теплоизолирующего покрытия с высокой степенью сохранения полученного от фоклинов солнечного излучения.

Новым достигаемым техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности гелиоустановки при упрощении слежения за положением солнца.

Для достижения нового технического результата в гелиоустановке, содержащей расположенные на ползунах, установленных на направляющих, фоклины с поворотными при помощи тяг стенками, верхние кромки которых соседних фоклинов шарнирно связаны между собой, а нижние кромки шарнирно связаны с соответствующими ползунами, установленные внутри фоклинов приемники излучения и гидравлически подключенные к ним гибкие трубопроводы для теплоносителя, при этом ползуны одного из фоклинов зафиксированы на направляющих, в отличие от прототипа, стенки выполнены отражающими в ИК- и пропускающими в видимой области солнечного спектра, а тяга выполнена в виде по крайней мере одного подковообразного стержня из материала с памятью формы, соединенного со связанными стенками фоклинов с возможностью их раскрытия.

Каждый приемник излучения может быть выполнен в оболочке, прозрачной в зоне излучения и с покрытием на внутренней поверхности оболочки вне зоны приема излучения, отражающим ИК-излучение солнечного спектра, и размещенной с зазором к поверхности приемника излучения.

На фиг. 1, 2 представлена принципиальная схема гелиоустановки при положении солнца "в зените" и при восходе (закате) солнца.

Гелиоустановка содержит расположенные на ползунах 1, установленных на направляющих 2, фоклины 3 с поворотными при помощи тяг, выполненных в виде подковообразного стержня 4 из материала с памятью формы, стенками 5, выполненными отражающими в ИК- и пропускающими в видимой области солнечного спектра. Верхние кромки 6 стенок 5 соседних фоклинов 3 шарнирно связаны между собой, а нижние кромки 7 шарнирно связаны с соответствующими ползунами 1, при этом подковообразный стержень 4 соединен со связанными стенками 5 соседних фоклинов 3 с возможностью их раскрытия. Гелиоустановка содержит установленные внутри фоклинов 3 приемники излучения 8 и гидравлически подключенные к ним гибкие трубопроводы 9 для теплоносителя. Приемники излучения 8 могут быть выполнены в оболочке 10, прозрачной в зоне 11 приема излучения и с покрытием 12 на внутренней поверхности оболочки 10 вне зоны 11 приема излучения, отражающим ИК-излучения солнечного спектра, и размещенной с зазором к поверхности приемника излучения 8 (см. фиг. 1а).

Гелиоустановка работает следующим образом.

Устанавливает гелиоустановку на направляющих 2, например, на крыше теплицы. При восходе солнца (фиг. 1) нагрев стержня 4 из материала с памятью формы, например из сплава никеля с титаном, мал и температура стержня 4 невелика. При такой температуре стержень 4 находится в разжатом состоянии, обеспечивающим максимальное входное отверстие у фоклинов 3 при минимальном взаимном затемнении их стенок 5 и, как следствие, максимально возможный нагрев при положении солнца у горизонта приемников излучения 8.

В дальнейшем при перемещении солнца к зениту стержень 4 с повышением температуры нагревается, постепенно сжимается, обеспечивая перемещение и изменение геометрии стенок 5 фоклинов 3 на соответствующих ползунах 1 по направляющим 2 относительно фоклинов 3 с зафиксированными ползунами 1 и размещение фоклинов 3 в положении, представленном на фиг. 2. В этом положении солнца в зените отсутствует взаимное затемнение стенок 5 фоклинов 3 и даже при уменьшении входного отверстия последних обеспечивается необходимый нагрев теплоносителя в приемниках излучения 8 как за счет отсутствия взаимозатемнения стенок 5 фоклинов 3, так и за счет максимального получения тепла от солнца в зените.

При дальнейшем смещении солнца к закату с уменьшением температуры нагрева стержня 4 (его остывании) последний вновь разжимается, обеспечивая тем самым обратное перемещение стенок 5 фоклинов 3 на соответствующих ползунах 1 по направляющим 2 до тех пор, пока они не займут положение, представленное на фиг. 1, когда достигается максимальное входное отверстие у фоклинов 3 при минимальном взаимном затемнении стенок 5. При этом, как отмечалось выше, происходит максимально возможный нагрев приемников излучения 3 при положении солнца над горизонтом.

Подковообразный стержень 4 может изменять свою форму (сжиматься-разжиматься) как при нагреве-охлаждении от солнечного излучения, так и от источника тока, с которым он может быть связан нагревательным элементом, выполненным, например, в виде охватывающей стержень 4 спирали 13 (фиг. 2). При этом для обеспечения стабильности нагрева стержня 4 последний может быть покрыт теплоизолирующим слоем.

Подковообразные стержни 4 могут быть размещены как между каждыми или несколькими связанными стенками 5 соседних фоклинов 3, в случае наличия тяжелой конструкции из множества фоклинов 3 и затрудненном перемещении их по направляющим 2, так может быть только один такой стержень 4 между связанными стенками 5, обеспечивающий изменение геометрии фоклинов 3 в зависимости от положения солнца в случае, если конструкция фоклинов 3 облегченная, а перемещение ползунов 1 по направляющим 2 не вызывает затруднений.

Выполнение стенок 5 фоклинов 3 отражающими в ИК-области и пропускающими в видимой области солнечного спектра обеспечивает отражение ИК-части спектра солнечного света на приемники излучения 8, вызывая, тем самым, нагрев теплоносителя в них, и пропуская видимую часть спектра солнечного излучения для освещения находящегося под гелиоустановкой участка, например, жилого помещения или теплицы. Все это обеспечивает одновременно с эффективным нагревом теплоносителя в приемниках излучения 8 достаточное освещение участка (жилого помещения) без использования дополнительных источников света и нормальный рост растений в теплице.

Стенки 5 фоклинов 3 могут быть выполнены, например, из металлических или деревянных каркасов плоской или иной, например параболической, формы, на которых проложен светопропускающий материал, например полиэтилен, стекло и т. д. по форме каркаса, на рабочей поверхности которого, обращенного к солнцу, нанесено покрытие из материала с высокоотражающей в ИК-области солнечного спектра и высокопропускающей в видимой области способностью, например из горячепрессованного фторида лантана, или с интерференционным покрытием, например двойная система (В^IН^IВ^IН^I х В^IН^IВ^I) (Н^IIВ^IIН^II х В^IIН^IIВ^II), где В^I и Н^I слои соответственно с высоким и низким показателем преломления и оптической толщиной λ^I/4, где λ^I=800-820 нм; В^II и Н^II слои аналогичные, только настроенные на , где λ^II=1040-1060нм, полученные, например, из вакуумно осажденных пленок ZnS и MgF₂, в диапазоне длин волн 0,4 2,5 мкм, и описанным в книге Александрова А. С. Иванцева А. С. Многослойные пленочные структуры для источников света. Новосибирск: Наука. 1981, с. 22 24.

Независимо от длины фоклинов 3 форма их стенок 5 будет сохраняться неизменной в процессе изменения геометрии фоклинов за счет шарнирных соединений.

Выполнение приемников излучения 8 в оболочках 10, прозрачных в зоне 11 приема излучения и с покрытием 12, аналогичным описанному выше, на внутренней поверхности оболочки 10 вне зоны 11 приема излучения, отражающим в ИК-излучение солнечного спектра, и размещенных с зазором к поверхности приемников излучения 8 (см. фиг. 2), обусловлено необходимостью создания дополнительного парникового эффекта в зазоре между оболочкой 10 и приемником излучения 8, а также необходимостью сохранения полученного от фоклинов 3 приемниками излучения 8 тепла. Так, солнечное излучение, отраженное от фоклинов 3, через зону II приема излучения оболочки 10 поступает на приемник излучения 8, обеспечивая нагрев теплоносителя в нем. А создаваемый при этом в зазоре между оболочкой 10 и приемником 11 парниковый эффект повышает эффективность и стабильность подогрева теплоносителя в приемнике излучения. Кроме этого, покрытие 12 на внутренней стороне оболочки 10 не позволяет ИК-излучению от приемника излучения 8 уходить за пределы оболочки 10, переотражая его вновь к приемнику излучения 8 и, как следствие, еще более повышает эффективность нагрева теплоносителя в нем. Оболочки 10 крепятся вокруг приемника излучения 8 с образованием зазора между ними с помощью, например, проволочного каркаса.

Высота положения приемников излучения 8 по отношению к основанию фоклинов 3 при изменении рельефа последних в процессе слежения за солнцем может быть выполнена регулируемой соответствующим образом для стабильного обеспечения их положения в фокальной зоне фоклинов.

Таким образом, на основании вышеизложенного новым достигаемым техническим результатом изобретения является:
1. Повышение эксплуатационной надежности гелиоустановки не менее чем на 10 за счет исключения параллелограммного механизма, потребляющего много энергии, и создания саморегулирующей геометрию стенок фоклинов при слежении за солнцем простой тяги с памятью формы, обеспечивающей упрощение слежения фоклинов гелиоустановки за солнцем.

2. Обеспечение возможности наиболее полного использования солнечного излучения в световом и тепловом диапазонах путем освещения участков, расположенных под гелиоустановкой, а именно помещений и теплиц.

3. Повышение эффективности нагрева теплоносителя в приемнике излучения за счет создания парникового эффекта оболочкой вокруг него за счет сохранения тепла, поглощенного приемником излучения, переотражением его оболочкой с покрытием обратно на приемник излучения.

В настоящее время на предприятии выпущена конструкторская документация на предлагаемую гелиоустановку, на основе которой изготовлен макетный образец.

Использование: в гелиотехнике для нагрева теплоносителя. Сущность изобретения: стенки 5 выполнены из материала, отражающего в ИК- и пропускающего в видимой области солнечного спектра, а тяга выполнена, по меньшей мере, в виде одного подковообразного стержня 4 из материала с памятью формы и соединенного со связанными стенками соседних клинов 3 с возможностью их раскрытия. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Гелиоустановка, содержащая расположенные на ползунах, установленные на направляющих фоклины с поворотными при помощи тяг стенками, верхние кромки соседних фоклинов шарнирно связаны между собой, а нижние кромки шарнирно связаны с соответствующими ползунами, приемники излучения, установленные внутри фоклинов, и гидравлически подключенные к ним гибкие трубопроводы циркуляции теплоносителя, при этом ползуны одного из фоклинов зафиксированы на направляющих, отличающаяся тем, что стенки выполнены из материала, отражающего в ИК- и пропускающего в видимой области солнечного спектра, а тяга выполнена по меньшей мере в виде одного подковообразного стержня из материала с памятью формы и соединенного со связанными стенками соседних фоклинов с возможностью их раскрытия. 2. Гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что каждый приемник излучения выполнен в оболочке, прозрачной в зоне приема излучения и с покрытием на внутренней поверхности оболочки вне зоны приема излучения, отражающим ИК-излучение солнечного спектра, и размещенной с зазором к поверхности приемника излучения.