СОБИРАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1998 года по МПК F24J2/44 F24J2/34 F24J2/14 

Изобретение относятся к теплоэнергетике, а именно к коллектору солнечной энергии, включающему удлиненный отражающий элемент, имеющий в поперечном сечении изогнутую форму и отражающую внутреннюю поверхность, установленный в наклонном положении с отражающей внутренней поверхностью, обращенной к солнцу, принимающий элемент, расположенный в линейной фокальной точке отражающего элемента и простирающийся по существу на всю длину отражающего элемента и принимающий отраженную солнечную радиацию и соединенный с круговой системой, содержащей жидкость, и служащий для ее нагревания.

В известных собирающих устройствах, как это, т.е. в солнечных панелях, циркуляция жидкости осуществляется непрерывно и равномерно, в то время как жидкость нагревается в принимающем элементе. Однако температура в основном остается настолько низкой, что эффективная работа коллектора вместе с соляным раствором и фазоизменяющим теплообменником не может осуществляться, пока не будет использован тепловой насос или дополнительные источники энергии, например, топливная или электрическая энергия. Это объясняется тем, что вода, подаваемая в аккумулятор, должна по крайней мере удовлетворять требованию минимальной температуры в 95^oC.

Элементы труб известных собирающих устройств солнечной энергии являются сложными и дорогостоящими и требуют ухода из-за узких трубопроводов и плохой циркуляции.

Вообще, следует отметить, что недостаточно внимания уделялось главному недостатку - плохому тепловому ускорению таких собирающих устройств. Если, например, в частично облачный день солнце выходит из-за туч, то циркуляция в следующие 10 мин будет предельной и недогретой, в результате чего производительность собирающего устройства будет неудовлетворительной.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и обеспечение собирающего устройства, способного обеспечить достаточное тепловое ускорение и достаточную температуру циркулирующей жидкости при относительно неблагоприятных условиях солнечной радиации, а также обеспечивающего более эффективную, с точки зрения стоимости, и не требующую обслуживания конструкцию.

Основная идея изобретения заключается в том, что циркуляционная жидкость собирающего устройства работает в двух фазах таким образом, что жидкость периодически может удаляться из принимающего элемента только после достижения ею температуры испарения. Для достижения этого изобретение отличается тем, что принимающий элемент снабжен на своем верхнем и нижнем концах клапаном, допускающим только направленный вверх поток, тем самым клапаны приводятся в действие периодически под действием солнечной тепловой радиации таким образом, что верхний клапан открывается, когда жидкость в принимающем элементе достигает своей точки испарения, а нижний клапан обеспечивает поступление дополнительной жидкости в принимающий элемент только когда элемент будет по существу опорожнен.

Контейнер для жидкости для поддержания определенного противодавления, например, подпружиненные сильфоны, установлен предпочтительно сверху на верхний клапан, откуда жидкость направляется дальше циркулировать через относительно тонкую циркуляционную трубу.

Принимающий элемент предпочтительно состоит из нескольких относительно тонких параллельных труб, где клапаны могут быть расположены на соответствующих собирающих корпусах на концах труб.

Циркуляционная жидкость может содержать раствор, обладающий хорошей теплопроводностью с точкой кипения порядка 120-140^oC.

На фиг. 1 показано собирающее устройство по изобретению, схематичный вид сбоку; на фиг. 2 - вид с конца собирающего элемента, показывающий его конструкцию; на фиг. 3 и 4 - виды сбоку и в поперечном сечении жидкостного клапана устройства, представленные в увеличенном масштабе.

Важной частью собирающего устройства является отражающий элемент 1, имеющий в поперечном сечении удлиненную параболическую форму, как показано на фиг. 2. Внутренняя поверхность отражающего элемента имеет покрытие, которое хорошо отражает солнечную радиацию.

Принимающий элемент 2, установленный в линейной фокальной точке отражающего элемента, состоит в соответствии с изобретением из нескольких параллельных тонких труб, где основная часть радиации может улавливаться в зазорах внутри пуска труб, когда тепловая радиация фокусируется на пучке труб. Это обеспечивает преимущество как в наличии большой эффективной целевой поверхности, так и в минимальной радиации, отраженной обратно в окружающую среду. Верхняя поверхность 2а труб может быть полированной.

Ось вращения отражателя соединяет пучок из труб, и трубы остаются на месте, когда рефлектор поворачивается в зависимости от расположения солнца.

Принимающий элемент (трубы 2) содержит циркуляционный раствор с точкой кипения, например порядка 130^oC. Циркуляция осуществляется через относительно тонкий циркуляционный трубопровод 21, который образует нагревательный элемент 22 в тепловом аккумуляторе 8. Последний также заполняется раствором, обладающим хорошей теплопроводностью. Тепловой аккумулятор представляет собой закрытое пространство, и над поверхностью 10 жидкости поддерживается разряжение.

Внутри теплового аккумулятора установлена спиральная труба 11 для технической воды, обеспечивающая теплой технической водой. Уравновешивающий резервуар 12 размещен под тепловым аккумулятором и снабжен также выключателем водослива 13 и конечным выключателем 14, которые, когда температура поднимается слишком высоко и жидкость 8 расширяется, начинают принудительную разгрузку элемента 11 или же поворачивают отражатель в сторону от солнца.

Существенным для изобретения является то, что циркуляционная жидкость работает в двух фазах таким образом, что она может периодически удаляться из принимающего элемента 2 каждый раз только тогда, когда она достигает своей точки испарения. Поэтому нижняя и верхняя части элемента 2 снабжены гидравлическими клапанами 3 и 4 соответственно, допускающими только поток вверх. Кроме того, верхний конец элемента снабжен пространством, поддерживающим противодавление, в данном случае это подпружиненные сильфоны 5. На фиг. 1 верхняя поверхность жидкости в сильфонах обозначена позицией 6, а эксплуатационный клапан на верхнем конце сильфонов обозначен позицией 7.

Собирающее устройство работает таким образом, что, когда жидкость в принимающем элементе 2 достигает своей температуры испарения, то клапан 4 открывается и пар удаляется в сильфоны 5. Таким образом, нижний клапан 3 остается закрытым под действием давления.

После разгрузки принимающего элемента клапан 4 закрывается, а нижний клапан 3 открывается и позволяет жидкости снова проходить в элемент 2. Одновременно горячая жидкость продолжает удаляться из сильфонов 5 в нагревательный элемент 22. Таким образом, гарантируется, что циркуляционная жидкость не может покинуть принимающий элемент недогретой, что является важным для всей работы аккумулятора 8.

На фиг. 3 и 4 показана возможная реализация клапанов. Клапанный элемент 17 является просто поплавком, установленным в приемнике 15 на концах труб 2 и изготовленным из материала, удельный вес которого равен удельному весу циркуляционной жидкости. Коническая поверхность клапанного элемента 17 снимает приемник 15 относительно конической поверхности 16, предотвращая прохождение раствора вниз в приемник 15. Верхняя часть клапанного элемента 17 снабжена ребрами 19, а нижняя его часть - ребрами 18, которые направляются относительно внутренней поверхности приемника 15, но обеспечивают прохождение между ними потока вверх. Внутренний буртик 20 в приемнике 15 ограничивает перемещение вверх клапанного элемента 17.

При практических испытаниях наблюдалось, что например, когда собирающее устройство начинает работать, используя холодный циркуляционный раствор, то продолжительность до первой разгрузки принимающего элемента 2 или открытия клапана 4 была порядка 70 с. После достижения собирающим устройством своей рабочей температуры продолжительность цикла составила соответственно 10 с. Трубы 2, так же как и трубопровод 21, были изготовлены из обычной тонкостенной нержавеющей стали с наружным диаметром 7-8 мм и толщиной стенки 0,15 мм. Точка кипения циркуляционной жидкости была 130^oC.

Использование: теплоэнергетика. Сущность: собирающее устройство для солнечной энергии содержит удлиненный отражающий элемент, имеющий в поперечном сечении параболическую форму и установленный в наклонном положении, взаимно параллельные принимающие трубы, расположенные в фокальной точке отражающего элемента, простирающиеся на всю его длину и соединенные с циркуляционной системой, содержащей жидкость. Система служит также для нагревания жидкости в аккумуляторе. На нижнем и верхнем концах труб предусмотрены клапаны, обеспечивающие поток только вверх, в результате чего устройство работает периодически так, что жидкость удаляется из труб только после достижения ею точки испарения, после чего трубы снова заполняются. Гибкие сильфоны размещены сверху на клапане для поддержания определенного противодавления для верхнего клапана. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Собирающее устройство для солнечной энергии, содержащее удлиненный отражающий элемент, имеющий в поперечном сечении изогнутую форму, выполненный с отражающей внутренней поверхностью, обращенной к солнцу, и установленный в наклонном положении принимающий элемент, расположенный по линейной фокальной оси отражающего элемента на всю его длину, принимающий отраженную солнечную радиацию и соединенный с циркуляционной системой, содержащей жидкость и служащей для нагревания жидкости, отличающееся тем, что верхний и нижний концы принимающего элемента снабжены гидравлическими клапанами, пропускающими жидкостной поток вверх, при этом принимающий элемент в верхней части снабжен жидкостным объемом, обеспечивающим создание разрежения над верхним клапаном и подключенным к циркуляционной системе, причем гидравлические клапаны работают периодически под действием солнечного теплого излучения таким образом, что верхний клапан открывается тогда, когда жидкость в принимающем элементе достигает точки испарения, а нижний клапан открывается после полного освобождения принимающего элемента. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что жидкостной объем ограничен подпружиненными сильфонами, соединенными с циркуляционной системой посредством циркуляционной трубы, выполненной тонкостенной для поддержания противодавления в сильфонах. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что принимающий элемент выполнен из нескольких тонкостенных параллельных труб, снабженных на верхнем и нижнем концах собирающими элементами, а клапаны установлены в этих элементах. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что принимающий элемент содержит 5 - 7 тонкостенных металлических труб, расположенных на расстоянии друг от друга. 5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что каждый из клапанов снабжен перемещающимся в осевом направлении клапанным элементом, уплотняющая поверхность которого выполнена в форме усеченного конуса. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что клапанный элемент снабжен радиальными ребрами и установлен в корпусе, причем высота ребер по большей мере равна высоте уплотняющей поверхности. 7. Устройство по пп.1 - 6, отличающееся тем, что жидкость в циркуляционной системе представляет собой раствор, обладающий хорошей теплопроводностью и имеющий точку кипения около 120^oС. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что циркуляционная система снабжена тепловым аккумулятором, при этом тонкостенная циркуляционная труба пропущена через тепловой аккумулятор с образованием нагревательного элемента, через который протекает жидкость. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в тепловом аккумуляторе установлен спиральный или иной теплообменник для технической воды.