ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F24J2/18 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для улавливания и концентрации энергетического излучения. Подобные устройства являются технической основой гелиоэнергетических и гелиотехнических установок, а также высокотемпературных оптических печей различного технологического назначения. По своей физической сущности рассматриваемые устройства представляют собой оптические системы, собирающие и концентрирующие подводимое излучение на поверхности приемника энергии.

Взаимодействие концентрируемого излучения с оптической системой и процесс трансформации излучения в тепло сопровождается рядом неизбежных потерь энергии, отрицательно сказывающихся на коэффициенте полезного действия установки, что, в свою очередь, вызывает увеличение капитальных затрат и себестоимости продукции и понижение конкурентоспособности используемой технологии. В ряду этих потерь большое значение приобретают потери энергии, вызываемые обратным излучением поверхности приемника энергии. Обратное (точнее - эффективное) излучение приемника энергии складывается из его собственного теплового излучения в окружающее пространство и той части сконцентрированного радиационного потока, которая отражается поверхностью приемника энергии. Таким образом, обратное излучение, покидая оптическую систему, рассеивается в окружающей среде и определяет собой указанные потери тем более значительные, чем интенсивнее собственное тепловое излучение приемника энергии и больше отражательная способность его поверхности.

Однако наличие потерь за счет обратного излучения приемника энергии практически не принимается во внимание при создании устройств для улавливания и концентрации энергетического излучения. Например, привлекаемый в качестве аналога заявляемого объекта концентратор солнечной энергии (патент РФ 2118763, кл. F 24 J 2/00, БИ 25, 10.09.98 г.), состоящий из вогнутой зеркальной части, заполненной прозрачным или полупрозрачным телом, в своей оптической схеме не содержит элементов, позволяющих снизить потери за счет обратного излучения.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и выбранный в качестве прототипа является энергетический модуль (патент РФ 2028557, кл. F 24 J 2/12; 2/14, БИ 4, 09.02.95 г.), состоящий из основания, вогнутой зеркальной поверхности, имеющей сбоку вид прямоугольника-концентратора с углом раскрытия не более 80^o, и приемника энергии, размещенного в фокусе дуги зеркальной поверхности по центру прямоугольника. Недостатками этого прототипа также являются потери энергии за счет обратного излучения приемника энергии и, кроме того, потери из-за прямоугольной формы конструкции концентратора.

Целью данного изобретения является повышение эффективности работы энергетических устройств, улавливающих и концентрирующих энергетическое излучение (в частности - увеличение коэффициента полезного действия гелиоустановок). Эта цель достигается путем снижения потерь, вызываемых обратным тепловым излучением поверхности приемника энергии.

Для практического уменьшения указанных потерь в заявляемом устройстве радиационный поток между приемником энергии и окружающей средой перекрывается дополнительным рефлектором-концентратором, который собирает обратное излучение и концентрирует его на поверхности приемника энергии. Это и приводит к более полному использованию энергии высокотемпературного источника излучения.

Обоснование достижимости поставленной цели производится на примере предлагаемого гелиоэнергетического модуля, схема которого представлена на чертеже.

Как видно из чертежа, поток солнечной энергии падает на поверхность параболоидного концентратора 1, отражается от него и концентрируется в фокальной плоскости, совпадающей с поверхностью приемника энергии 3, вызывая нагрев последнего. Часть обратного излучения, испускаемого приемником энергии в пределах апертурного угла Δω, безвозвратно теряется, покидая систему. Остальная часть обратного излучения падает на поверхность дополнительного рефлектора-концентратора 2 и возвращается им на нагреваемую поверхность приемника энергии 3. Возникающие благодаря этому многократные переотражения потока между приемником энергии 3 и поверхностью дополнительного рефлектора 2 приводят к увеличению тепловосприятия приемника энергии, что, в свою очередь, повышает эффективность работы гелиоустановки.

Таким образом, предлагаемый гелиоэнергетический модуль (см. чертеж) отличается от существующих устройств тем, что в нем улавливается и используется часть обратного излучения, исходящего от поверхности приемника энергии. Технически такое усовершенствование оптической системы достигается установкой полусферического рефлектора-концентратора обратного излучения 2, являющегося принципиально новым элементом модуля.

В случае плоского приемника энергии 3 (как это представлено на чертеже) рефлектор-концентратор 2 имеет форму полусферического зеркала с входным отверстием по контуру апертурного угла Δω. Если же приемник энергии имеет объемную форму, то рефлектор-концентратор 2 делается полностью сферическим с аналогичным входным отверстием. Приемник энергии помещается при этом в центре сферического зеркала.

Следует также отметить, что предложенная оптическая система гелиоэнергетического модуля может быть использована и для гелиоустановок с линзовыми концентраторами солнечной энергии, а также для высокотемпературных оптических печей различного технологического назначения, использующих электрические источники высокоинтенсивного излучения.

Как показал проделанный анализ, реализация предлагаемой схемы модуля на действующих устройствах позволит, не изменяя габариты основного концентратора 1, повысить мощность (или производительность) установки на десятки процентов. При создании новых устройств заданной мощности оказывается возможным сделать основной концентратор 1 меньшего размера, сократив тем самым капитальные затраты на сооружение установки, поскольку зеркальный концентратор является наиболее дорогостоящим ее элементом.

Количественная оценка эффективности действия предлагаемого модуля была произведена на основании физико-математического анализа процесса радиационного теплообмена в двух сравниваемых системах.

Первая (традиционная) система включала: высокотемпературный источник излучения, концентратор, приемник энергии и окружающую среду заданной температуры. Вторая (предлагаемая) - источник излучения, основной концентратор, приемник энергии и упоминаемый дополнительный рефлектор. При решении задачи в обеих системах на поверхности приемника энергии задавались граничные условия 1-го, 2-го или 3-го рода, соответствующие различным технологическим предназначениям установки. Анализ полученных результатов показал, что эффективность работы заявляемого модуля определяется рядом оптико-геометрических и теплофизических параметров и может значительно (на десятки процентов) превышать эффективность аналогичных устройств в традиционном исполнении. В частности, при поглощательной способности приемника энергии, равной 0,70, было получено для граничных условий: 1-го рода - тепловосприятие увеличивалось максимально на 40%, 2-го рода - температура поверхности приемника энергии возрастала до 1,5 раз, 3-го рода - коэффициент полезного действия гелиоустановки увеличивался максимально на 80%.

Характер общей зависимости, полученной на основании теоретического решения, показывает, что эффективность предлагаемого модуля увеличивается с ростом отражательной способности и теплового излучения приемника энергии и уменьшается с увеличением апертурного угла концентратора, что полностью совпадает с физическими представлениями протекающих процессов.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к области создания энергетических установок с концентраторами солнечного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что в гелиоэнергетическом модуле, состоящем из концентратора солнечной энергии и приемника энергии, расположенного в фокальной плоскости концентратора, согласно изобретению, концентратор солнечной энергии выполнен параболоидным и зеркальным, модуль содержит дополнительный полусферический зеркальный рефлектор-концентратор обратного излучения с входным отверстием по контуру апертурного угла, а приемник излучения выполнен плоским. Изобретение должно обеспечить повышение КПД системы. 1 ил.

Гелиоэнергетический модуль, состоящий из концентратора солнечной энергии и приемника энергии, расположенного в фокальной плоскости концентратора, отличающийся тем, что концентратор солнечной энергии выполнен параболоидным и зеркальным, модуль содержит дополнительный полусферический зеркальный рефлектор-концентратор обратного излучения с входным отверстием по контуру апертурного угла, а приемник излучения выполнен плоским.