КОНЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК F24J2/16 

Изобретение относится к устройствам концентрации потока электромагнитного излучения и может быть использовано, например, в космической технике для концентрации солнечной энергии. Для аналогичных целей оно может быть использовано и в наземных энергетических, технологических, научных и других гелиоустановках.

Известно концентрирующее устройство (КУ), содержащее отражающую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения, и приемник энергии [1]. Недостатком устройства является чрезмерная сложность изготовления и сборки. Особенно в случае, когда поперечные размеры КУ составляют многие метры и десятки метров.

Известно также концентрирующее устройство, описанное в [2] и содержащее отражающую поверхность и приемник энергии. Причем отражающая поверхность выполнена в виде зеркал, расположенных в ряд, с возможностью изменения их положения посредством поворота вокруг параллельных друг другу осей.

Недостатком устройства является концентрация падающего на него потока "в линию", что не позволяет в отличие от параболического концентратора достигать высокой степени концентрации отраженного потока.

Известно также концентрирующее устройство, описанное в [3] и принятое в качестве прототипа. Устройство содержит удлиненные боковые отражающие панели, шарнирно закрепленные на основании. Каждая боковая панель состоит из нескольких плоских отражающих пластин, расположенных параллельно фокальной зоне отражателя. При этом смежные пластины прилегают боковыми кромками одна к другой под некоторым углом, величину которого можно регулировать.

КУ - прототип сложен по конструкции и имеет те же недостатки, что и предшествующий ему аналог.

Между тем, возрастающее энергопотребление на Земле и в космосе требует создания энергоустановок с единичной мощностью в сотни и тысячи кВт (в обозримом будущем - до десятков ГВт), что в свою очередь требует создания средств формирования концентрирующих поверхностей площадью сотни квадратных метров (и даже квадратных километров). При этом желательно, чтобы степень концентрации отраженного потока была того же порядка, что и в случае применения параболических концентраторов (и даже выше).

Задачей настоящего изобретения является повышение технологичности изготовления и сборки концентрирующих устройств с высоким коэффициентом концентрации. В том числе применительно к энергоустановкам высокой и сверхвысокой мощности.

Задача решается тем, что в концентрирующем устройстве, содержащем отражающую поверхность, выполненную в виде n (где n>1) плоских отражающих пластин (ячеек) прямоугольной формы, отражающие ячейки установлены неподвижно на плоском основании. При этом поверхность каждой ячейки задается уравнением

при




причем плоскость ХОY расположена на плоскости основания устройства, при этом начало координат (точка О) расположено в точке пересечения перпендикуляра, опущенного из фокуса КУ, и плоскости ХОY, причем ось OZ направлена в сторону фокуса; оси ОХ, ОY направлены вдоль взаимно перпендикулярных полос, образованных ячейками, образуя с осью OZ правую систему осей;
Н₀ - расстояние от точки О до фокуса;
Х₀, Y₀ - координаты на плоскости ХОY ближайшей к оси OZ угловой точки k-той ячейки;
X', Y'- координаты начала отражающей поверхности;
ΔX_i±X,ΔY_j±Y- приращения координат, равные размеру ячейки по направлению соответствующей оси;
i±X, j±Y - номер полосы, содержащей k-тую ячейку, в направлении осей ±OX, ±OY, i±X=0,1,2,..., j±Y=0,1,2,...

Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- на фиг.1 представлен общий вид КУ в рабочем положении;
- на фиг. 2 представлен фрагмент отражающей поверхности предлагаемого устройства;
- на фиг.3, 4 представлена расчетная схема КУ;
- на фиг. 5 дан рисунок к примеру расчета уравнения одной из ячеек КУ, размещенного на одной из конструкций орбитального объекта;
- на фиг. 6 представлен вид орбитального объекта с мощной бортовой энергосистемой на основе предлагаемого КУ.

На чертежах представлены следующие позиции:
1 - отражающая ячейка;
2 - основание;.

3 - приемник энергии.

Предлагаемое КУ, используемое в качестве концентратора солнечной энергии, содержит отражающую поверхность, выполненную (см. фиг.1, 2) в виде плоских ячеек 1 прямоугольной формы, размещенных на плоском основании 2. В окрестности фокального ядра располагается приемник энергии 3.

При работе отражающая поверхность (ОП) КУ ориентирована на Солнце. Причем таким образом, чтобы плоскость основания 2 была нормальна направлению солнечного излучения. При этом энергия солнечного излучения, падающего на устройство, концентрируется в фокальное ядро, воздействуя на приемник энергии 3.

Найдем зависимость, связывающую форму отражающей поверхности ячейки 1 с параметрами ее положения на основании 2.

Сущность изобретения поясняется на примере использования его для мощных энергетических гелиоустановок, имеющих диаметр (D) ОП, например, десятки метров. В самом деле, согласно, например [4], угловое отклонение (δ) от штатного положения элемента ОП может составлять в процессе эксплуатации КУ ~ 0,2^o и более. Тогда размер поперечника фокального ядра (d_ф.я.) можно оценить как d_ф.я.~ 2•δ•D, что составит десятки сантиметров. Устройство считается оптимальным, если основные факторы, определяющие эффективность его работы, сказываются на разбросе выходных характеристик устройства в равной степени. Так, выполнение отражающей поверхности КУ в виде геометрически идеальной параболической поверхности не будет "замечено" установкой, т.к. термодеформации несущей конструкции КУ и самой ОП, неточности сборки, неточности ориентации, динамические колебательные процессы в конструкции КУ, сопровождающие наведение КУ на Солнце, и т.д. "размоют" фокальное ядро установки до некоторого устойчивого размера. В этой ситуации становится бессмысленным дорогостоящее (часто с использованием уникального оборудования) "идеальное" исполнение отражающей поверхности КУ в виде заданной поверхности второго порядка. Рациональным является выполнение ОП в виде совокупности ячеек из гораздо более простых в изготовлении поверхностей первого порядка при условии, что поперечный размер (l) ячейки находится в пределах

где λ - длина волны падающего на КУ излучения;
d'_ф.я. - поперечный размер фокального ядра в отсутствие фактора точности геометрии ОП.

Для максимального упрощения несущей конструкции предлагаемого КУ, а также упрощения сборки устройства или раскрытия его из транспортного положения полагаем:
1. ячейки ОП располагаются на плоском основании;
2. ячейки имеют прямоугольную форму и образуют параллельные и перпендикулярные друг другу полосы.

Разместим координатную плоскость ХОY в плоскости основания 2. Оси ОХ, ОY направим вдоль взаимно перпендикулярных полос, образованных ячейками 1.

Полагаем, что отражающая поверхность любой ячейки 1 принимает рабочее положение в результате двух последовательных поворотов (см. фиг.3), начиная от исходного положения в плоскости ХОY. А именно, сначала производится поворот ячейки на угол γ₁ вокруг оси NM, параллельной оси ОY, а затем относительно нового положения на угол γ₂ вокруг оси КМ. При этом
π/2>|γ₁|,|γ₂|≥0 (2)
В результате имеет место следующее:
а) ячейка 1 имеет, по меньшей мере, одну точку, точку М, не участвовавшую в поворотах и располагающуюся на плоскости ХОY;
б) падающий в точку М луч, отражаясь, проходит через точку F, общую для аналогичных точек всех ячеек 1 ОП и именуемую далее как фокус;
в) границы ячейки 1 в проекции на плоскость ХОY оказываются практически совпадающими с ее границами до поворотов γ₁,γ₂; тем самым, с одной стороны, обеспечивается активное использование практически всей площади ОП (без щелей и промежутков между ячейками), а с другой, обеспечивается неизменность формы полос на основании 2 (что важно для реализации рациональных способов сборки или раскрытия ОП из транспортного положения).

Опустив из точки F перпендикуляр на плоскость ХОY, определим положение начала (точки О) системы координат OXYZ.

Ось OZ направим в сторону точки F.

Выпишем уравнение поверхности ячейки 1, как уравнение плоскости Z=Z(X, Y), проходящей через точку M(X₀,Y₀,Z₀)=M(X₀,Y₀,О) перпендикулярно вектору Имеем:
A•(X-X₀)+B•(Y-Y₀)+C•Z=0 (3)
Рассмотрим единичный вектор (фиг.3). Найдем его проекции на координатные оси:
C = cosα, A = -sinα•cosμ, B = -sinα•sinμ (4)
Далее

где

Н₀ - расстояние от точки О до фокуса (точка F, фиг.3).

Подставив (4), (5), (6) в (3), после преобразований получим

Координаты X₀, Y₀ в общем случае определяются как

здесь X', Y' - координаты начала ОП (фиг.4);
ΔX_i±X,ΔY_j±Y - приращения координат, равные ширине ячеек 1 по направлению осей ±ОХ, ±OY;
i±X, j±Y - номер ячейки в направлении осей ±ОХ, ±OY (i±X=0,1,2,..., j±Y= 0,1,2,...).

В случае, если

имеем (см. фиг.4):
X₀= X′+ ΔX•i±X, Y = Y′+ ΔY•j±Y. (10)
Уравнение (7) справедливо в диапазоне:


В качестве примера рассмотрим расчет уравнения отражающей поверхности ячейки 1 КУ (см. фиг.5) с параметрами: Х'=2 м, i+X=113, Y'=0,25 м, j+Y=6, H₀=10 м.

С учетом того, что ожидаемая величина поперечника фокального ядра составит d_ф.я.~0,5 м, принимаем:
|ΔX|, |ΔY| = 0,15 м.
По формулам (10)
Х₀=2+0,15•113=18,95 м, (13)
Y₀=0,25+0,15•6=1,15 м. (14)
Тогда по формуле (7)

или
Z=0,6023996•X+0,0365572•Y-11,457514 (15)
В соответствии с неравенствами (11), (12) уравнение (15) справедливо для
18,95 м≤X≤19,10 м; 1,15 м≤Y≤1,30 м. (16)
Поверхность ячеек отражающей поверхности предлагаемого КУ суть поверхности первого порядка, расположенные на плоском основании. Это позволяет изготавливать их на типовом станочном оборудовании. При этом общие размеры отражающих поверхностей (и, следовательно, получаемая от них мощность) оказываются практически неограниченными (см. фиг.6).

Плотность размещения ячеек отражающей поверхности близка к единице, что позволяет предлагаемому устройству конкурировать по этому показателю с классическими устройствами фокусирования (например, с параболоидом вращения), значительно превосходя их по дешевизне и технологичности изготовления, транспортировки и сборки.

Так как ячейки отражающей поверхности образуют параллельные и перпендикулярные между собой полосы, то это позволяет расчленять ОП по линии границ полос на фрагменты, удобные для их упаковки и транспортировки на борт космического аппарата. Это же свойство позволяет складывать отражающую поверхность в транспортное положение по принципу "гармошки" с использованием на этапе раскрытия хорошо отработанных технологических средств раскрытия солнечных батарей космических аппаратов.

Предлагаемое решение позволяет располагать приемник энергии в заранее намеченной точке относительно ОП, что позволяет упростить монтаж и обслуживание оборудования приемника энергии, а также свести к минимуму размеры коммуникаций и опорных конструкций.

Многообещающее применение предлагаемого устройства в конструкциях дешевых и в то же время мощных средств освещения (юпитеры, фары, фонари, прожекторы) и обогрева, когда источник светового или инфракрасного излучения помещается в зоне фокального ядра отражающей поверхности.

Источники информации
1. Материалы симпозиума IAF-86-202, John M. Hedgepeth, Richard K. Vulltr, Structural concepts for Large Solar Concentrators, стр.6.

2. Япония, заявка 61-27667, МПК⁴ F 24 J 2/10, 2/40.

3. США, патент 4597377, МПК⁴ F 24 J 2/10.

4. В.А.Грилихес. Солнечная энергия и космические полеты, 1984, стр. 194.

Изобретение относится к устройствам концентрации потока электромагнитного излучения и может быть использовано, например, в космической технике для концентрации солнечной энергии. Для аналогичных целей оно может быть использовано и в наземных энергетических, технологических, научных и других гелиоустановках. Предлагается концентрирующее устройство, содержащее отражающую поверхность, выполненную в виде n (где n > 1) плоских отражающих пластин 1 (ячеек) прямоугольной формы, и приемник 3 энергии, при этом отражающие ячейки 1 установлены в нем неподвижно, а поверхность каждой ячейки 1 относительно специально выбранной прямоугольной системы осей OXYZ задается уравнением:

Изобретение позволит повысить технологичность изготовления и сборки концентрирующих устройств с высоким коэффициентом концентрации, в том числе применительно и к энергоустановкам высокой и сверхвысокой мощности. 6 ил.

Концентрирующее устройство, содержащее отражающую поверхность, выполненную в виде n (где n > 1) плоских отражающих пластин (ячеек) прямоугольной формы, и приемник энергии, отличающееся тем, что в нем отражающие ячейки установлены неподвижно на плоском основании, при этом относительно прямоугольной системы осей OXYZ поверхность каждой ячейки задается уравнением:

при



причем плоскость ХОY расположена на плоскости основания устройства, при этом начало координат (точка О) расположено в точке пересечения перпендикуляра, опущенного из фокуса концентрирующего устройства, и плоскости XOY, причем ось OZ направлена в сторону фокуса; оси ОХ, OY направлены вдоль взаимно перпендикулярных полос, образованных ячейками, образуя с осью OZ правую систему осей;
где Н₀ - расстояние от точки О до фокуса;
X₀, Y₀ - координаты - на плоскости XOY - ближайшей к оси OZ угловой точки k-той ячейки;
X', Y' - координаты начала отражающей поверхности;
ΔX_i±X,ΔY_j±Y- приращения координат, равные размеру ячейки по направлению соответствующей оси;
i±X, j±Y - номер полосы, содержащей k-тую ячейку, в направлении осей ±ОХ, ±OY; i±X= 0,1,2, . . . ; j±Y= 0,1,2. . . .